04-01-2010

Technologie: 32 nanometrowe procesory Intela

Rok 2010 należy do Westmere’a

Tak przynajmniej wynika z procesorowych planów Intela. Pierwsze 32 nanometrowe układy o architekturze Westmere pojawiają się bowiem teraz – niemal dosłownie z Nowym Rokiem. W sumie Intel wprowadza do sprzedaży osiem 32-nanometrowych procesorów z serii Core i5, cztery Core i3 oraz siedem nowych chipsetów. Dodatkowo odmłodzona zostaje seria kości Core i7, w której pojawi się siedem nowych mobilnych układów z serii i7-600. Te jednostki będą jednak w dalszym ciągu wytwarzane w technologii 45 nm.
 
O 32-nanometrowych procesorach Intela o kodowej nazwie Westmere mówi się już mniej więcej od roku. Patrząc tylko pod kątem samej architektury, kości Westmere niewiele różnią się od 45-nanometrowych układów o kodowej nazwie Nehalem, czyli procesorów Core i7 – patrz: http://www.frazpc.pl/artykuly/633/Architektura/procesorow/Intel/Core/i7/(Nehalem)). Na całą serię nowych jednostkach centralnych o architekturze Westmere składają się tak naprawdę trzy mniejsze grupy układów o kodowych nazwach Gulftown, ta rodzina przeznaczona jest do budowy serwerów i zaawansowanych stacji roboczych, Arrandale – układy mobilne – oraz Clarkdale, czyli jednostki centralne dla komputerów stacjonarnych. Jak można się domyślić, nowe układy wymagają też nowych chipsetów – wraz z nimi w styczniu zadebiutowała seria kilku różnych chipsetów z rodziny o kodowej nazwie Ibex Peak. Na rynku będą one sprzedawane jako chipsety z serii Intel 5 – o czym za chwilę. Jako pierwsze pojawiły się na rynku już teraz układy Arrandale oraz Clarkdale. Gulftown zadebiutuje zaś jako ostatni, prawdopodobnie w drugim kwartale 2010 roku.

Rys.01 – Nowe rodziny procesorów, chipsetów i modułów sieciowych, które pojawiły się na rynku na początku 2010 roku.
Źródło: Intel

Rys.02 – Procesory Arrandale (rząd układów u góry, po lewej standardowa odmiana procesora mobilnego, obok nieco mniejsza kość w wersji ULV) oraz układ Clarkdale wraz z odpowiednimi wariantami chipsetów Ibex Peak. Procesory i chipsety zaprezentowane zostały w grudniu 2009 roku na specjalnie zorganizowanej przez Intela w Monachium prapremierze procesorów wykonanych w technologii 32 nanometry.

Westmere od środka
 
Wróćmy jednak do budowy nowych układów Westmere. Przyglądając się bliżej ich architekturze widać, że została ona, co prawda nieznacznie, ale jednak zmodyfikowana. Niewątpliwie, najważniejszą zmianą to wbudowanie w układy Arrandale i Clarkdale zintegrowanego modułu graficznego o kodowej nazwie Ironlake. Procesory składają się z dwóch krzemowych układów umieszczonych na jednej procesorowej płytce. Mniejszy z nich (81 mm2) to wykonany w technologii 32 nanometrów procesor klasy Westmere, drugi, nieco większy (114 mm2) to kość graficzna Ironlake wytworzona w starszej bo 45-nanometrowej technologii.
 
Taki „sklejony” z dwóch krzemowych elementów procesor nazywany jest procesorem umieszczonym w obudowie typu MCM – Multi Chip Module. Jak łatwo się domyślić, technologia MCM daje większą elastyczność w produkcji procesorów. Różne wersje rdzeni produkowanych w technologii 32 nm łatwo będzie łączyć z różnymi blokami np. graficznymi (o większej lub mniejszej wydajności) lub bez nich, a także do wytwarzania procesorów z, powiedzmy, pamięcią cache L4 bądź dodatkowymi kontrolerami. Bez trudu można też wykorzystać te same jądra do produkcji jednostek centralnych z dwu jak i trójkanałowymi kontrolerami pamięci DDR3, a nawet, jeśli zajdzie taka potrzeba, DDR2 czy pamięcią graficzną GDDR.

Rys.03 – Architektura i fizyczne rozmieszczenie modułów wykonawczych w procesorach Westmere i modułach graficznych Ironlake.
Źródło: Intel

Jak podaje producent, procesor do komputerów stacjonarnych Clarkdale składa się z 383 mln tranzystorów, a układ graficzny Ironlake ze 117 milionów tranzystorów. Co ciekawe, w strukturze modułu graficznego znalazł się również kontroler magistrali PCI Express oraz elementy klasycznego mostka północnego, jak kontroler pamięci (dla przypomnienia, w Nehalemie jest on umieszczony bezpośrednio w strukturze krzemowej jądra procesora). Dodatkowo, zarówno w procesorze jak i w układzie graficznym znalazł się interfejs MCP (MCP Interface – Multi-Chip Package Interface), służący do bezpośredniej komunikacji układu graficznego ze znajdującymi się na drugim kawałku krzemu z rdzeniami procesorów.
 
Przyglądając się nieco dokładniej rysunkowi 3 i występującym na nim opisom modułów, można wyjaśnić nurtującą wiele osób zagadkę dotycząca zadania jednego ze zintegrowanych w strukturze procesorów Nehalem/Westmere kontrolerów oznaczanych na wielu publikowanych w Internecie schematach architektury procesorów (np. patrz: Rys.04), symbolem Misc IO (ang. Misc = miscellaneous, czyli różny, rozmaity). Jak się okazuje, pod tym oznaczeniem ukrywał się interfejs MCP pozwalający na łączenie i komunikację rdzeni procesora z innymi elementami struktury sytemu zamontowanymi na tej samej procesorowej płytce PCB, takimi jak np. moduł graficzny.

Rys.04 – Modułowa architektura Nehalem pozwoliła na łatwe dołączenie do struktury układu modułu graficznego i stworzenie różnych rodzin procesorów w zamyśle projektantów lepiej dopasowanych do odmiennych potrzeb użytkownika.
Źródło: Intel

Ironlake, czyli wędrówka grafiki z chipsetu do procesora
 
Skoro jesteśmy już przy zintegrowanym z CPU module graficznym to zostawmy teraz na chwilę sam procesor i przejdźmy do omówienia jednostki graficznej montowanej w 32-nanometrowych układach Clarkdale i Arrandale. Jak już wspomniałem, zgodnie z przyjętymi założeniami konstrukcyjnymi, moduł graficzny wraz z kontrolerem PCI Express przeniesiony został z chipsetu płyty głównej do procesora. Moduł ten jest unowocześnioną i zmodyfikowaną wersją dostępnych w chipsetach modułów graficznych Intel GMA X4500HD spotykanych m.in. w chipsecie P45. Dzięki temu zabiegowi wraz z wymianą procesora na nowszy, szybszy model będzie można jednocześnie zwiększyć wydajność zintegrowanego układu graficznego (oczywiście, jeżeli takowy będzie się znajdował w nowym CPU). Dotychczas w wypadku zintegrowanej grafiki umieszczonej w chipsecie płyty głównej nie było to możliwe bez wymiany płyty głównej, co niejednokrotnie wiązało się z wymianą praktycznie niemal całej platformy i tańszych komputerach, w których nie montuje się dyskretnych kart graficznych było po prostu nieopłacalne.

Rys.05 – Zmiany w platformie systemowej związane z przeniesieniem modułu zintegrowanej grafiki z chipsetu do procesora.
Źródło: Intel

Projektując nowy układ graficzny inżynierowie z Intela skupili się przede wszystkim na poprawie właściwości odtwarzania i przetwarzania materiałów wideo. Jak pokazują badania rynkowe, komputery ze zintegrowaną grafiką bardzo często wykorzystuje się bowiem do oglądania filmów czy przetwarzania materiałów wideo, a znacznie rzadziej do grania. Najważniejsze zmiany, co oczywiste, dotyczą odtwarzania i poprawy jakości materiałów HD i dekodowania strumienia wideo z dysków Blu-ray. Wprowadzono miedzy innymi wymaganą w specyfikacji standardu Blu-ray 1.1 możliwość jednoczesnego dekodowania dwóch sygnałów HD (DVD – Dual Video Decode), a następnie wyświetlania jednego z nich „w obrazie” (PiP – Picture In Picture). Nowy moduł graficzny potrafi też przetwarzać postprocesingowo obraz wykorzystujący przestrzeń barwną xvYCC, która jest 1,8 razy większa niż przestrzeń barw sRGB. Nie zapomniano również o obsłudze symultanicznej dwóch złączy HDMI i obsłudze 12-bitowej głębi kolorów na każdy kanał, a nie jak to było wcześniej jedynie głębi 8-bitowej.

Rys.06 – Porównanie możliwości przetwarzania materiałów wideo dla zintegrowanych układów graficznych Intela nowej i poprzedniej generacji.
Źródło: Intel

Jeśli chodzi o możliwości generowania obrazu 3D w grach, to niewiele się one różnią w stosunku do poprzednika. Zwiększono nieznacznie szybkość taktowania układu z 800 do 900 MHz. Dodano dwa potoki renderujace oraz zapewniono wsparcie dla bibliotek OpenGL 2.1. Zaskoczeniem jest natomiast brak obsługi DirectX w wersji 10.1, co wynika z wciąż realizowanych na drodze emulacji w sterownikach przez procesor części operacji werteksowych i braku zunifikowanych shaderów.

Rys.07 – Porównanie możliwości generowania obrazu 3D dla zintegrowanych układów graficznych Intela nowej i poprzedniej generacji.
Źródło: Intel

Ciekawą funkcją zaimplementowana w układzie graficznym Ironlake montowanym w procesorach mobilnych Arrandale jest możliwość przełączania „w locie” bez restartu komputera urządzenia wyświetlającego obraz pomiędzy zintegrowanym modułem graficznym i dyskretnym notebookowym akceleratorem 3D (jeśli laptop w takowy został wyposażony). Funkcja ta pozwala na zaoszczędzenie energii jeśli w danej chwili nie jest wymagana maksymalna wydajność 3D. Notebook wykorzystuje wówczas znacznie bardziej energooszczędny zintegrowany moduł graficzny, a jeśli użytkownik zaczyna np. grac w wymagająca grę, system przełącza się na wydajniejszy, dyskretny akcelerator. Co ważne, przełączanie „w locie” działa niezależnie od modelu i producenta zewnętrznej karty graficznej. Obecnie takie sprzętowe przełączanie działa w systemach Windows 7 i Windows Vista.

Rys.08 – Przełączanie wyświetlania grafiki „w locie”.
Źródło: Intel

Rys.09 – Nowy panel kontrolny dla zintegrowanych układów graficznych Intela.
Źródło: Intel

AES czyli mocne szyfrowanie
 
Z punktu widzenia użytkowników biznesowych najważniejszą nowością wprowadzoną we wszystkich procesorach z rodziny Westmere jest pojawienie się w nich sprzętowego wspomagania kodowania AES (Advanced Encryption Standard). Do zestawu instrukcji SSE dodano sześć nowych instrukcji kodujących i dekodujących – AES-NI (AES-New Instructions). Pozwalają one na bieżąco szyfrować dane przesyłane przez sieć, informacje przechowywane na dysku twardym czy rozmowy VoIP. Możliwości te zaprezentowano miedzy innymi na tegorocznym IDF-ie, gdzie pokazano notebooki z najnowszymi 32-nanometrowymi układami Arrandale. Dzięki wprowadzeniu rozszerzenia listy rozkazów AES-NI, procesory zgodne z architekturą x86 obsługują już ponad 700 instrukcji.

Rys.10 – Zastosowanie instrukcji AES.
Źródło: Intel

Rys.11 – Instrukcje AES-NI.
Źródło: Intel

Wprowadzone w Westmere’ach sześć instrukcji AES-NI stanowi część planowanego w kolejnej generacji układów Intela o kodowej nazwie Sandy Bridge większego rozszerzenia instrukcji SSE w architekturze x86 o nazwie AVX (Advanced Vector Extensions). Model AVX oficjalnie zaprezentowany został już na początku 2008 roku. W zestawie AVX wprowadzono nowe, dwa razy szersze, 256-bitówe rejestry, których łącznie jest 16. Są to rejestry oznaczone symbolami od YMM0 do YMM15. W zestawie dodano 19 nowych instrukcji wektorowych oraz dołączono rozkazy czteroargumentowe (łącznie 12 instrukcji tego typu) służące do akumulowania wyników mnożenia wektorów.
 
Co ciekawe, rozszerzona została również możliwość kodowania rozkazów. Nowe układy będą w stanie wykonywać część z dostępnych rozkazów SSE zarówno w wariancie trzy- bądź czteroargumentowym (obecnie rozkazy mogą być jedynie dwuargumentowe), co w znaczący sposób przyspieszy wykonywanie operacji strumieniowych. Łącznie specyfikacja AVX przewiduje dodanie 291 rozkazów. Interesujące jest to, że 166 nowych instrukcji zapożyczono wprost z procesorów RISC, co sprawi, iż szybciej wykonywane będą również operacje skalarne na pojedynczych danych, a rozszerzenie rejestrów będzie przymiarką do wprowadzenia architektury 128-bitowej. Niestety, na pełną implementację AVX w układach Intela przyjdzie nam poczekać przynajmniej rok.
 
Pozostałe funkcje
 
To tyle, jeśli chodzi o najważniejsze zmiany w procesorach Westmere. Podobnie jak układy Core i7, wszystkie 32-nanometrowe procesory Intela obsługują technologię współbieżnej wielowątkowości Hyper-Threading. Zaimplementowano w nich także dobrze już znane technologie i rozszerzenia listy rozkazów MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2, Enhanced Intel SpeedStep Technology (EIST), EM64T, XD bit, TXT (Trusted Execution Technology) oraz, co oczywiste, techniki sprzętowej wirtualizacji Intel VT-x, Intel VT-d. Inżynierowie projektujący układ zaimplementowali dla pamięci cache L3 również technologię Smart Cache, czyli technikę z inteligentnej obsługi pamięci współdzielonej cache.
 
Kilka słów warto poświęcić technologii Turbo Boost, a wiec technice dynamicznych zmian częstotliwości pracy poszczególnych rdzeni procesora w zależności od ich obciążenia i globalnego zużycia mocy układu oraz wydzielanego ciepła. Technologia ta zadebiutowała w procesorach Nehalem, ale teraz została rozszerzona również na zintegrowany na procesorowej płytce PCB rdzeń graficzny.

Rys.12 – Działanie technologii Turbo Boost w procesorach Westmere.
Źródło: Intel

Jak pamiętamy, korzystając z funkcji Turbo Boost procesor może się sam automatycznie przetaktowywać, zachowując przy tym założoną przez projektantów wartość współczynnika termicznego TDP. Podczas takiego overclockingu każdy z rdzeni może być przy tym niezależnie spowalniany lub wyłączany, a prędkość zegarów taktujących pozostałe rdzenie jest w tym czasie podniesiona o kilka do kilkunastu procent. Zabieg ten pozwala zwiększyć wydajności przetwarzanych na nich zadań, a cały procesor, dzięki zatrzymaniu lub spowolnieniu jednego lub nawet kilku rdzeni zachowuje określony przez projektantów bezpieczny dla trwałości układu ogólny bilans cieplny. W układach Westmere bilansować musi się również pod względem TDP część graficzna procesora. Oznacza to, że jeśli bardzie obciążony jest moduł akceleratora 3D, wówczas on jest przyspieszany, jeżeli zaś więcej mocy obliczeniowej potrzebuje procesor, to wówczas spowalniany jest mniej używany w danej chwili rdzeń graficzny. Dotyczy to jednak jedynie wersji procesorów mobilnych Arrandale.

Rys.13 – Rozszerzenie działania Turbo Boost na część graficzną układu Westmere.
Źródło: Intel

Rys.14 – Scenariusze działania inteligentnego systemu dzielenia zasilania dla poszczególne fragmentów układu Westmere.
Źródło: Intel

Ibex Peak
 
Oczywiście nowe procesory, które sprzedawane będą pod handlowymi nazwami Core i5 i Core i3 wymagają nowych chipsetów i nowych podstawek (LGA 1156) – co związane jest z przeniesieniem części funkcji mostka północnego bezpośrednio do CPU – patrz: Rys.05.
 
Jednocześnie z nowymi procesorami Intel wprowadza nową serię chipsetów pod kodową nazwą Ibex Peak. Są to odpowiednio układy o handlowych nazwach Q57, H57 i Q55 dla procesorów Clarksdale i QS57, QM57, HM57 i HM55 dla mobilnych kości Arrandale. Czym różnią się poszczególne układy widać na zamieszczonych poniżej rysunkach.

Rys.15 – Najważniejsze właściwości chipsetów z serii Intel 5.
Źródło: Intel

Rys.16 – Różnice dotyczące chipsetów Ibex Peak dla desktopów.
Źródło: Intel

Rys.17 – Różnice dotyczące chipsetów Ibex Peak dla notebooków.
Źródło: Intel

Rys.18 – Schemat blokowy chipsetu Intel H55 Express.

Rys.19 – Schemat blokowy chipsetu Intel H57 Express.

Rys.20 – Schemat blokowy chipsetu Intel Q57 Express.

Co wchodzi na rynek
 
W styczniu na rynek trafi w sumie sześć 32-nanometrowych procesorów mobilnych (cztery modele Core i5 oraz dwa Core i3) oraz również sześć kości Clarkdale (również cztery modele Core i5 i dwa Core i3). Dodatkowo pojawią się także jeszcze 45-nanometrowe układy mobilne z rodziny Core i7 ze starszym jądrem Nehalem.

Rys.21 – Nowe procesory mobilne Intela z serii Core i7, Core i5 oraz Core i3.
Źródło: Intel

Rys.22 – Nowe procesory stacjonarne Intela z serii Core i5 oraz Core i3.
Źródło: Intel

Wraz z procesorami i chipsetami będzie można również zaopatrzyć się w nowe płyty główne wytwarzane przez różnych producentów. Intel przygotował też własne płytowe konstrukcje. Łatwo je rozpoznać po umieszczonych na nich złączach graficznych PCI Express. Jak można się domyślić, układ graficzny umieszczony w procesorze bez trudu można wyłączyć korzystając z odpowiedniej opcji w BIOS-ie płyty głównej i zainstalować wówczas w komputerze dowolną, dyskretna kartę graficzną dowolnego producenta.

Rys.23 – Różnice miedzy płytami głównymi Intela dla stacjonarnych procesorów Core i5 oraz Core i3.
Źródło: Intel

Rys.24 – Nowa płyta dla procesorów Core i3 i Core i5 ze złączem LGA 1156 i slotem PCI Express 16x

Rys.25 – Najważniejsze cechy funkcjonalne nowych płyt głównych Intela.
Źródło: Intel

Co nieco o wydajności
 
Na zakończenie prezentacji architektury Westmere’ów chciałbym kilka słów poświecić wydajności nowych układów. Według Intela są one szybsze, oczywiście w zależności od testu, średnio około dwóch razy w stosunku do odpowiadającej im kości poprzedniej generacji dla komputerów mobilnych i blisko trzy razy dla stacjonarnych. Producent zilustrował to wieloma przekazanymi dziennikarzom przykładami. Poniżej prezentujemy kilka z nich.

Rys.26 – Porównanie wydajności procesorów nowej generacji.
Źródło: Intel

Rys.27 – Wyniki testy PCMark Vantage dla notebooków.
Źródło: Intel

Rys.28 – Wyniki testy PCMark Vantage dla desktopów.
Źródło: Intel

Do uzyskanych przez producenta rezultatów należy jednak podchodzić, jak zawsze, ze znaczną ostrożnością. Oczywiście wyniki te sami zweryfikowaliśmy własnymi testami przeprowadzonymi w naszej redakcji. Opis tych testów, nasze wrażenia dotyczące działania nowej platformy oraz otrzymane przez nas rezultaty przedstawiamy w osobnym artykule.

Autor: Marcin Bieńkowski

Komentarze (4)

___________________________
Więcej artykułów