Intel Atom: obr zplodil trpaslíka

Existuje spousta využití počítačů, při kterých je co nejvyšší výkon k nezaplacení, logicky se tedy i výrobci snaží vyvíjet stále rychlejší hardware. Ale z pohledu běžného uživatele už počítače nějaký čas výrazně překračují požadavky běžných činností, jako je přehrávání hudby, filmů, práce s textovými editory nebo internetem.

Pokud od svého stolního PC nic víc nežádáte, můžete si s klidným svědomím pořídit microATX desku, osadit ji nejlevnějším kompatibilním procesorem a zobrazování nechat na integrované grafice. Existuje ještě kompaktnější formát miniITX, který vám umožní realizovat PC jako opravdu malou krabičku, v které bude půlku objemu zabírat DVD mechanika a pevný disk.

Intel nabízel a stále nabízí v tomto segmentu Little Valley – miniITX desku s integrovaným procesorem Celeron, a to zpočátku typem 215 založeným na mobilním jádře Yonah a později 220 s jádrem Conroe–L používaným jinak v desktopových Celeronech 4×× (s vyšší frekvencí a rychlostí FSB). Ale při TDP 27 W, respektive 19 W, byla spotřeba těchto procesorů pořád vyšší, než by mohla být při zachování dostatečného výpočetního výkonu.
A tak Intel na jarní akci Intel Developers Forum oficiálně představil značku Atom a Centrino Atom – nové koně na poli ultraúsporných procesorů. Intel dokonce vymyslel (spíše by se slušelo řící znovupojmenoval) nové platformy, pro které s Atomem počítá – tzv. MID (Mobile Internet Device) má být v podstatě obdoba dnešních UMPC (ultra mobile PC), ale v ještě menším povedení, ale zase ne tak malém jako PDA. Namísto profesionálního použití jsou cílovou skupinou běžní uživatelé.

Další platformou je nettop – levný stolní počítač, aneb miniITX v bleděmodrém s tím, že pevný disk bude nahrazen SSD (solid–state drive) pamětí. Posledním termínem je netbook – tedy levný miniaturní notebook. Ale ty jsme znali i dříve (např. Asus Eee PC 1000). Člověk se v těch pojmech začíná pomalu ztrácet.

Výkon v harmonii se spotřebou

Ke statusu nejmenšího a nejúspornějšího čipu, jaký kdy společnost Intel vyrobila, Atomu pomáhá jednak moderní 45nm high–k výrobní proces, používaný už u novějších verzí Core 2 procesorů, ale také samotný návrh čipu, jenž je optimalizován výhradně na nízkou spotřebu. Po léta Intel při vývoji čipů prosazoval pravidlo, že pokud změna v návrhu přidá 1 % výkonu, může být vykoupena maximálně 2 % zvýšením spotřeby. Na rty se mi teď derou pojmy Pentium 4 a NetBurst. Pro Atom byla pravidla nastavena „férověji“ – 1 % spotřeby navíc musí zlepšit výkon minimálně zase o 1 %.
Původně byl Atom vyvíjen pro maximální úspornost kvůli nasazení do mnohojádrových čipů, z toho ale později sešlo. Nakonec tedy vznikl samostatný procesor určený zejména do ultrapřenosných zařízení, netbooků a miniITX, kde mu jeho energetická střídmost také přijde vhod. Stejně tak přijde vhod i použití instrukční sady x86. Specializované procesory v PDA nebo multifunkčních mobilních telefonech nejsou s platformou x86 kompatibilní. Používají zcela jiné operační systémy a aplikace, než jaké se vyskytují v klasických PC. Kompatibilita s x86 platformou dovolí jednodušší, rychlejší a hlavně levnější vývoj software. I když rozšíření Atomu do takto malých zařízení stojí v cestě jeden problém, o kterém si povíme později.

Operace ve frontě stojící

Ve jménu miniaturizace a spotřeby Intel pro účely Atomu oprášil in-order (tzn. v pořadí) zpracování instrukcí, kterážto architektura je méně náročná na počet tranzistorů a používaly jí naposledy první Pentia. S příchodem Pentia Pro se totiž začalo používat out-of-order zpracování umožňující procesoru odhadovat a rozhodnout, jaké operace mají být přednostně prováděny. To je výhodné zejména v případě, kdy určitá operace nemůže být provedena dokud nebudou k dispozici další data z cache nebo systémové paměti. V takové situaci by se u in-order architekury čekalo až stovky procesorových cyklů, čímž by výkon velmi utrpěl.
Intel tedy do jinak striktně in-order architektury Atomu přidal algoritmus Safe Instruction Recognition (SIR), který ve velmi specifických případech dovolí zpracování mimo pořadí. Navíc většina modelů řady Atom disponuje technologií Hyper-Threading (HT) známou z dob Pentií 4, kdy se jedno jádro jeví operačnímu systému jako 2 logické procesory a dokáže zpracovávat 2 instrukce zároveň. Obzvláště u in-order architektury HT přinese vysoké výkonové zisky. I tak ale bude výkon Atomu mnohem nižší na stejné frekvenci oproti běžným procesorům. Podle testů odpovídá výkon zhruba mobilnímu Celeronu-M na poloviční frekvenci, proti desktopovému Celeronu architektury Core pak ztrácí ještě o něco víc.

Od prvního Atomu k procesoru

Atom tedy vychází z původního návrhu Core architektury, avšak je uzpůsoben pro co nejnižší spotřebu, které padlo za oběť druhé jádro (proto reinkarnace technologie Hyper-Threading) a některé instrukční sady.

Instrukční sady z rodiny SIMD jsou k dispozici tyto: MMX, SSE, SSE2, SSE3 a dokonce i SSSE3. Některé modely umí Virtualizaci a XD bit. Díky 45nm výrobnímu procesu a technologii EIST (Enhanced Intel Speed Step) nepřesáhne spotřeba 2 W, výrobní technologie dimenzuje TDP až na výkon 4 W.

Dvě provedení procesorů, různé čipové sady

K dispozici jsou 2 rozměrová provedení Atomu - větší procesory (kódovým jménem Diamondville) o velikosti 22 × 22 mm patří do levných stolních počítačů a netbooků, menší varianta Centrino Atom (kódovým jménem Silverthorne) se uplatní v miniaturních přenosných zařízeních, jako je např. zmiňovaný MID. Udávaný tepelný výkon TDP u Diamondville činí 2,5 W (Atom N270) a 4 W (Atom 230). U Silverthorne rozpětí začíná neuvěřitelnou hodnotou 0,65 W u modelu Z500 a končí na 2,64 W u Z540 při použití Hyper-Threadingu.
Existuje několik verzí podle segmentu trhu. Čipovou sadou pro nettopová CPU Diamondville (zatím z ní byl představen pouze Atom 230) je Intel 945GC a pro notebooky Intel 945GSE; obě varianty se SouthBridge ICH7 . Uvedení na trh se u řady 945 datuje do roku 2005. Funkčně nic neschází – čipset nabízí podporu DDR2 pamětí, diskové rozhraní SATA 300, HD Audio a integrované grafické jádro GMA950 s podporou DirectX 9.0b.

Jejich zásadní nevýhodou je ale vysoká spotřeba - díky 130nm výrobnímu procesu (P35 a zbytek trojkové série už byl vyráběn 90nm technologií) spotřeba čipové sady (cca 10 – 22 W), která závisí na taktu sběrnice a osazené paměti, mnohonásobně převyšuje spotřebu procesoru (1 – 8 W), a proto je pro ty nejúspornější platformy k dispozici nová čipová sada US15W (1 – 2,3 W).

Centrino Atom (Silverthorne) si tedy dopřeje zcela novou čipovou sadu US15W (s kódovým značením Poulsbo) s integrovaným grafickým jádrem GMA500. Vyráběna je sice také 130nm procesem, ale TDP se pohybuje na mnohem rozumnějších hodnotách kolem 2 W. Poulsbo je takzvaný SCH (System Controller Hub), integruje funkce NorthBridge i SouthBridge a také obsahuje grafické jádro (po vzoru SiSovských řešení). Jeho 3D část tvoří licencovaný čip PowerVR SGX, který se pyšní velmi zajímavými parametry. Podporuje DirectX 10 (zatím v ovladačích pouze DX9), zvládá plnou hardwarovou akceleraci kodeků H.264, MPEG-2 a VC-1 ve full HD rozlišení, přičemž při přehrávání H.264 filmu by spotřeba SCH včetně procesoru neměla překročit 0,12 W.

Omezení představuje maximální výstupní rozlišení, jež činí 1366 x 768, takže full HD z něj nedostanete. Poulsbo podporuje paměti DDR2 400 a 533 MHz (vázáno na FSB procesoru) s maximální kapacitou 1 GB a diskové rozhraní Parallel ATA, které je zde použito kvůli o něco vyšší úspornosti proti SATA. Největší nevýhoda této čipové sady je nasnadě - vzhledem k 130nm výrobnímu procesu je SCH čip mnohem větší než samotný procesor, proto nebude možné, aby s ním Centrino Atom pronikl do opravdu miniaturních zařízení jako jsou např. mobilní telefony.

Alternativním čipsetem pro Diamondville je SiS 671 se SouthBridge SiS 968. Disponuje integrovaným grafickým jádrem Mirage 3 taktéž s podporou DirectX 9.0b. TDP je v tomto případě sympatických 8 W. I netbookový Diamondville (Atom N270) je kombinován s letitým čipsetem – mobilním 945GSE s TDP 6 W, což je vykoupeno např. nižším taktem jádra GMA950.