Intel Core - pohled na architekturu I
2.5.2006, Eagle , článek
Již za několik měsíců se do obchodů dostaví první procesory založené na nové architektuře Intel Core. Čipy Conroe, Merom a Woodcrest znamenají dramatickou změnu ve vývoji. Dnes zahájíme povídání o tom, jak nové procesory fungují a co zajímavého přinesou.
Kapitoly článku:
- Intel Core - pohled na architekturu I
- Dekódování - až pět instrukcí za takt
- Macro-fusion, microOPs fusion
- Out-of-Order zpracování
- Změny v jednotkách
Proč nová architektura ?
Nová architektura Intel Core reprezentovaná z počátku procesory Conroe (pro stolní počítače), Merom (pro notebooky) a Woodcrest (pro servery) znamená pro Intel razantní změnu dříve nastoleného kursu. Před více než šesti lety bylo rozhodnuto, že nejvyššího možného výkonu bude nejsnáze dosaženo pomocí vysokých frekvencí. Touto dobou jsme měli mít 10 GHz procesory založené na architektuře, kterou tehdy Intel nazval NetBurst a která se komerčně začala prodávat pod značkou Pentium 4.
Skok vpřed s novou architekturou
Tehdejší rozhodnutí Intelu jít cestou vysokých frekvencí se neukázalo jako právě šťastné. Pentium 4 v době uvedení na frekvencích 1.4 a 1.5 GHz jen sotva výkonem překonalo tehdejší nejrychlejší procesory. Těmi byly 1 GHz Pentium III a 1.1 GHz Athlon. Majitelé nových pokrokových čipů od AMD brali Pentium 4 jako podřadný produkt, majitelé Pentií III se zase podivovali, co to Intel uvedl. Na Pentium 4 platilo (a nikdy v budoucnu se to již nezměnilo), že se jedná o procesor s vysokou spotřebou. První jádra Willamette si energetickou náročností nic nezadala s tehdejšími Athlony, které měly nálepku "přehřívající se". Majitelé Pentií III, kteří byli zvyklí na malé větráčky s tichým chodem, tak najednou byli před rozhodnutím, zda emigrovat ke konkurenci nebo se podřídit nastolenému směru - neboli procesoru s dvojnásobnou až trojnásobnou spotřebou. Mnozí zůstali u svých tehdejších strojů dodnes.
S odstupem času vypadá tehdejší krok Intelu jako uspěchaný. Jako kdyby v laboratořích navrhovali nový přístup. Přístup, který by vyslyšel filosofii, že možnosti paralelizace vykonávání instrukcí jsou v programech natolik omezené, že jednodušší než neustálé snahy o její zlepšení bude prostě zvýšit frekvenci a čip zjednodušit.
Procesor Athlon vykazuje při enkódování v LAME pouze zhruba
třetinový výkon proti svému potenciálu (IPC = 0.8, maximum = 3)
Tyto experimenty, které ve výsledku mohly vyústit v nový a potenciálně zajímavý produkt, byly přerušeny v roce 1999, kdy AMD uvedlo procesor Athlon a následně vyhrálo závod o frekvenci 1 GHz. Pentium III nemohlo konkurovat, a tak Intel musel učinit rozhodnutí, co udělat dál. Rozhodnutí padlo na onen nedodělaný experiment, který se narychlo předělal.
Přestože se Pentium 4 již v prvním modelu Willamette ukázalo jako poměrně schopné (tři čtvrtě roku po uvedení, v létě 2001, 2.0 GHz model převzal titul nejrychlejšího x86 procesoru) a druhá generace Northwood prvenství dále posílila (od roku 2002 do podzimu 2003 suverénně kraloval), problémy spojené s velkou energetickou náročností byly stále více zřetelné. 3.0 GHz Pentium 4 a pozdější modely Prescott již spotřebou mířily ke 100W a víc. Bylo stále více viditelné, že architektura nazvaná NetBurst je z dlouhodobého hlediska neudržitelná.
Souběžně s NetBurstem se v roce 2003 objevil procesor, který významně stavěl na dříve opuštěném Pentiu III. Byl nazván Pentium M a byl určen pro notebooky. Tento čip vyvinuli zaměstnanci Intelu v Izraeli proto, že Intelu v té době scházel schopný čip, který by nahradil procesor Pentium III-M určený pro přenosné počítače. Ten končil na frekvenci 1.4 GHz, a byl tak v té době ohrožován mobilními Athlony XP. Pentium 4 se kvůli vysoké spotřebě do notebooků vůbec nehodilo, proto Intel významně upravil již téměř zapomenuté Pentium III, čímž získal další frekvenci a výkon, přičemž zachoval poměrně malou energetickou náročnost. Pentium M si ale bohužel přineslo také některé neduhy. Bylo optimalizována na malou spotřebu, proto nebylo schopné dosahovat výkonu procesorů typických pro stolní počítače. Architektura sice v zásadě nebyla špatná, protože ale byla převzatá z minulosti, postrádala schopnost velkého paralelismu. Zároveň jí chyběla frekvence, která by dodala potřebný výpočetní výkon. Co Intel vytvořil, bylo v zásadě urychlené Pentium III, procesor s poměrně slabým špičkovým výkonem, avšak také dobrou vnitřní optimalizací, která mu umožnila v typických aplikacích poskytovat dostatečný výkon pro uživatelův komfort.
Pentium M významně stavělo na velké L2 cache s extrémně krátkou přístupovou dobou. To mu sice znemožnilo dosahovat vysokých frekvencí, na druhou stranu na frekvencích 1.5 až 2.0 GHz, kam bylo cíleno, mu to dávalo hodně výkonu navíc. Relativní zastaralost Pentia M byla ale zřetelná v situacích, kdy mělo provádět náročné aplikace - typicky například multimediální programy. Procesory Athlon i Pentium 4 byly prostě výpočetně mnohem silnější a pokud dostaly optimalizovanou aplikaci, podávaly výkon takový, o kterém se Pentiu M ani nesnilo.
Core - Pentium III modifikovaně
Conroe, Merom a Woodcrest jsou první čipy, které budou obsahovat zcela novou architekturu. Ta byla nazvána Intel Core a vymysleli jí opět zaměstnanci Intelu v Izraeli. Core je v zásadě zcela nová generace procesorů, která bude na trhu převládat v několika příštích letech. Přesto se velmi inspiruje v Pentiu III, respektive v Pentiu M. Velmi zjednodušeně řečeno je vztah mezi Pentiem M a Core takový, že Core je Pentium M + širší paralelismus + více zdrojů pro provedení výpočtů + vyšší frekvence + některá další vylepšení. Sice bychom procesory Conroe, Merom a Woodcrest těžko mohli nazvat Pentiem M (změn je příliš mnoho, celá pipeline byla předělána), ale základní přístup si bere právě z něj.
Patrně proto, aby Intel uctil památku Pentia III, budou se nové procesory identifikovat podobně jako starší generace Pentia III a Pentia M. Instrukce CPUID navrací při identifikaci čipu hodnoty Family, Model a Stepping. První jmenovaná - Family - je určující pro základní architekturu. Všechny procesory Pentium Pro a následující stejného typu vrací hodnotu 6. Navzájem jsou pak rozlišeny jen hodnotu Model, která například u Pentia II činí 3, zatímco u Pentia III 7.
Na tomto místě je zajímavé sledovat, že Pentium M navrací naprosto stejnou hodnotu Family jako Pentium Pro - šestku. Intel tímto dokazuje, že Pentium M není nic jiného než upravené dnes 11 let staré Pentium Pro (přestože to jinak oficiálně nepřizná). Co je ale ještě zajímavější, nový čip Conroe navrací hodnotu 06F1, popřípadě ve své novější revizi 06F4. Jinými slovy podle CPUID je Conroe jen další model ve vývoji Pentia Pro, přesněji hned následující po dvoujádrovém Pentiu M (to má Model E (14), zatímco Conroe má Model F (15)).
V naší nedávné anketě se trefily asi dvě pětiny uživatelů.
Přestože je Core z pohledu jednotek a pipeline prakticky od základu nový a designově staví na Pentiu M, Intel patrně nikdy nepřizná, že z jeho architektury NetBurst zde není použito vůbec nic.
Tento obrázek byl prezentován v létě na Intel Developer Forum. Realita je taková, že NetBurst zmizí z povrchu a nezbude po něm prakticky nic. Vše je převzato z Pentia M nebo postaveno od základu.
Nová architektura Intel Core reprezentovaná z počátku procesory Conroe (pro stolní počítače), Merom (pro notebooky) a Woodcrest (pro servery) znamená pro Intel razantní změnu dříve nastoleného kursu. Před více než šesti lety bylo rozhodnuto, že nejvyššího možného výkonu bude nejsnáze dosaženo pomocí vysokých frekvencí. Touto dobou jsme měli mít 10 GHz procesory založené na architektuře, kterou tehdy Intel nazval NetBurst a která se komerčně začala prodávat pod značkou Pentium 4.
Skok vpřed s novou architekturou
Tehdejší rozhodnutí Intelu jít cestou vysokých frekvencí se neukázalo jako právě šťastné. Pentium 4 v době uvedení na frekvencích 1.4 a 1.5 GHz jen sotva výkonem překonalo tehdejší nejrychlejší procesory. Těmi byly 1 GHz Pentium III a 1.1 GHz Athlon. Majitelé nových pokrokových čipů od AMD brali Pentium 4 jako podřadný produkt, majitelé Pentií III se zase podivovali, co to Intel uvedl. Na Pentium 4 platilo (a nikdy v budoucnu se to již nezměnilo), že se jedná o procesor s vysokou spotřebou. První jádra Willamette si energetickou náročností nic nezadala s tehdejšími Athlony, které měly nálepku "přehřívající se". Majitelé Pentií III, kteří byli zvyklí na malé větráčky s tichým chodem, tak najednou byli před rozhodnutím, zda emigrovat ke konkurenci nebo se podřídit nastolenému směru - neboli procesoru s dvojnásobnou až trojnásobnou spotřebou. Mnozí zůstali u svých tehdejších strojů dodnes.
S odstupem času vypadá tehdejší krok Intelu jako uspěchaný. Jako kdyby v laboratořích navrhovali nový přístup. Přístup, který by vyslyšel filosofii, že možnosti paralelizace vykonávání instrukcí jsou v programech natolik omezené, že jednodušší než neustálé snahy o její zlepšení bude prostě zvýšit frekvenci a čip zjednodušit.
Procesor Athlon vykazuje při enkódování v LAME pouze zhruba
třetinový výkon proti svému potenciálu (IPC = 0.8, maximum = 3)
Tyto experimenty, které ve výsledku mohly vyústit v nový a potenciálně zajímavý produkt, byly přerušeny v roce 1999, kdy AMD uvedlo procesor Athlon a následně vyhrálo závod o frekvenci 1 GHz. Pentium III nemohlo konkurovat, a tak Intel musel učinit rozhodnutí, co udělat dál. Rozhodnutí padlo na onen nedodělaný experiment, který se narychlo předělal.
Přestože se Pentium 4 již v prvním modelu Willamette ukázalo jako poměrně schopné (tři čtvrtě roku po uvedení, v létě 2001, 2.0 GHz model převzal titul nejrychlejšího x86 procesoru) a druhá generace Northwood prvenství dále posílila (od roku 2002 do podzimu 2003 suverénně kraloval), problémy spojené s velkou energetickou náročností byly stále více zřetelné. 3.0 GHz Pentium 4 a pozdější modely Prescott již spotřebou mířily ke 100W a víc. Bylo stále více viditelné, že architektura nazvaná NetBurst je z dlouhodobého hlediska neudržitelná.
Souběžně s NetBurstem se v roce 2003 objevil procesor, který významně stavěl na dříve opuštěném Pentiu III. Byl nazván Pentium M a byl určen pro notebooky. Tento čip vyvinuli zaměstnanci Intelu v Izraeli proto, že Intelu v té době scházel schopný čip, který by nahradil procesor Pentium III-M určený pro přenosné počítače. Ten končil na frekvenci 1.4 GHz, a byl tak v té době ohrožován mobilními Athlony XP. Pentium 4 se kvůli vysoké spotřebě do notebooků vůbec nehodilo, proto Intel významně upravil již téměř zapomenuté Pentium III, čímž získal další frekvenci a výkon, přičemž zachoval poměrně malou energetickou náročnost. Pentium M si ale bohužel přineslo také některé neduhy. Bylo optimalizována na malou spotřebu, proto nebylo schopné dosahovat výkonu procesorů typických pro stolní počítače. Architektura sice v zásadě nebyla špatná, protože ale byla převzatá z minulosti, postrádala schopnost velkého paralelismu. Zároveň jí chyběla frekvence, která by dodala potřebný výpočetní výkon. Co Intel vytvořil, bylo v zásadě urychlené Pentium III, procesor s poměrně slabým špičkovým výkonem, avšak také dobrou vnitřní optimalizací, která mu umožnila v typických aplikacích poskytovat dostatečný výkon pro uživatelův komfort.
Pentium M významně stavělo na velké L2 cache s extrémně krátkou přístupovou dobou. To mu sice znemožnilo dosahovat vysokých frekvencí, na druhou stranu na frekvencích 1.5 až 2.0 GHz, kam bylo cíleno, mu to dávalo hodně výkonu navíc. Relativní zastaralost Pentia M byla ale zřetelná v situacích, kdy mělo provádět náročné aplikace - typicky například multimediální programy. Procesory Athlon i Pentium 4 byly prostě výpočetně mnohem silnější a pokud dostaly optimalizovanou aplikaci, podávaly výkon takový, o kterém se Pentiu M ani nesnilo.
Core - Pentium III modifikovaně
Conroe, Merom a Woodcrest jsou první čipy, které budou obsahovat zcela novou architekturu. Ta byla nazvána Intel Core a vymysleli jí opět zaměstnanci Intelu v Izraeli. Core je v zásadě zcela nová generace procesorů, která bude na trhu převládat v několika příštích letech. Přesto se velmi inspiruje v Pentiu III, respektive v Pentiu M. Velmi zjednodušeně řečeno je vztah mezi Pentiem M a Core takový, že Core je Pentium M + širší paralelismus + více zdrojů pro provedení výpočtů + vyšší frekvence + některá další vylepšení. Sice bychom procesory Conroe, Merom a Woodcrest těžko mohli nazvat Pentiem M (změn je příliš mnoho, celá pipeline byla předělána), ale základní přístup si bere právě z něj.
| Procesor | CPUID |
| Pentium Pro | 0611 |
| Pentium II | 0633 |
| Pentium III | 0672 |
| Pentium M | 0695 |
| Pentium M dual-core (Yonah) | 06E8 |
| Conroe | 06F1 |
| Pentium 4 | 0F07 |
| Pentium D Smithfield | 0F44 |
Patrně proto, aby Intel uctil památku Pentia III, budou se nové procesory identifikovat podobně jako starší generace Pentia III a Pentia M. Instrukce CPUID navrací při identifikaci čipu hodnoty Family, Model a Stepping. První jmenovaná - Family - je určující pro základní architekturu. Všechny procesory Pentium Pro a následující stejného typu vrací hodnotu 6. Navzájem jsou pak rozlišeny jen hodnotu Model, která například u Pentia II činí 3, zatímco u Pentia III 7.
Na tomto místě je zajímavé sledovat, že Pentium M navrací naprosto stejnou hodnotu Family jako Pentium Pro - šestku. Intel tímto dokazuje, že Pentium M není nic jiného než upravené dnes 11 let staré Pentium Pro (přestože to jinak oficiálně nepřizná). Co je ale ještě zajímavější, nový čip Conroe navrací hodnotu 06F1, popřípadě ve své novější revizi 06F4. Jinými slovy podle CPUID je Conroe jen další model ve vývoji Pentia Pro, přesněji hned následující po dvoujádrovém Pentiu M (to má Model E (14), zatímco Conroe má Model F (15)).
V naší nedávné anketě se trefily asi dvě pětiny uživatelů.
Přestože je Core z pohledu jednotek a pipeline prakticky od základu nový a designově staví na Pentiu M, Intel patrně nikdy nepřizná, že z jeho architektury NetBurst zde není použito vůbec nic.
Tento obrázek byl prezentován v létě na Intel Developer Forum. Realita je taková, že NetBurst zmizí z povrchu a nezbude po něm prakticky nic. Vše je převzato z Pentia M nebo postaveno od základu.
