Nehalem: рожденный побеждать

Автор: Иван Жумыга
Источник: Ferra.ru

Потомок королей

Со времен исторического релиза микроархитектуры Core 2 прошло более двух лет. За этот длительный, по меркам IT-индустрии, срок борьба Intel и AMD на рынке мощных настольных процессоров фактически свелась на «нет». Запоздалый выход продуктов AMD Barcelona, их посредственная производительность и высокое тепловыделение решили исход локального сражения в пользу конкурентов.

Логотип Intel Core i7

Выпуск четырехъядерников Core i7 должен закрепить подавляющее преимущество Intel в секторе наиболее производительных решений. Кроме того, с анонсом Core i7 возвращается основательно подзабытая технология Hyper-Threading, обеспечивающая многопоточную обработку данных в пределах одного физического ядра. Этот факт должен побудить разработчиков ПО к дальнейшей оптимизации софта для процессоров с числом ядер больше двух.

Выход Nehalem полностью согласуется с фирменной концепцией Intel: появление новой архитектуры один раз в два года. Так, эра Intel Core 2 началась в июле 2006-го с выпуском процессоров Conroe. Далее последовал переход на 45-нм технологическую норму (семейство Penryn). И вот, с сегодняшнего дня, мы имеем дело с Core i7 – представителями архитектуры Nehalem на ядре Bloomfield.

Эволюция процессоров Intel

В течение последующих 2-2,5 лет Intel примет на вооружение 32-нанометровый техпроцесс, связанный с приходом Westmere и Sandy Bridge. Впрочем, не будем забегать далеко вперед, а рассмотрим в мельчайших подробностях самые, что ни на есть свежие новинки процессорного рынка.

Читайте ниже о прогрессивном строении процессоров Core i7, особенностях их функционирования и показателях производительности. Также мы непременно упомянем о компонентах новой платформы LGA1366. Так что присаживайтесь поудобнее, будет интересно!

Архитектура

Согласно официальным сведениям первые процессоры Nehalem обладают, по крайней мере, 731 млн. транзисторов, что на 10,7% меньше, чем у «квадов» Penryn Yorkfield. В то же время, площадь кристалла Core i7 увеличена с 214 до 263 мм2.

Архитектурное строение Core i7

Процессоры Bloomfield имеют нативный четырехъядерный дизайн, тогда как структура их предшественников – Core 2 Quad – представляла собой мультичиповый модуль из пары Core 2 Duo. К числу основных элементов кристалла Core i7 принадлежат четыре физических ядра, разделяемый кэш третьего уровня, встроенный контроллер памяти DDR3 и шина QuickPath Interconnect (QPI).

Каждое из четырех ядер Bloomfield, в свою очередь, распределяется на меньшие блоки:

Устройство каждого ядра

Ширина конвейера Core i7 сохранена на уровне 4-х инструкций за такт; при этом значительно расширены буферы резервирования, загрузки, хранения и внеочередного выполнения операций. Эти изменения помогают оптимизировать энергопотребление CPU и более эффективно распараллеливать вычисления.

В отличие от процессоров прошлых поколений, микроархитектура Nehalem предполагает трехуровневую организацию ячеек кэш-памяти. Кэши L1 и L2 выделены индивидуально для каждого ядра, а вот кэш третьего уровня является общим для всех ядер. Впервые подобная концепция была применена в процессорах AMD Phenom X4 Agena.

Организация кэш-памяти

Кэш первого уровня, как и у Penryn, составляет 64 КБ: по 32 килобайта для инструкций и данных. Его латентность увеличена с 3 до 4 тактов, что позволяет Bloomfield достичь высоких результирующих частот, жертвуя при этом всего 2-3% производительности. Уровнем выше размещено небольшое (256 КБ) количество унифицированного L2 кэша, суммарный объем которого в 12 (!) раз меньше, чем у топовых представителей Core 2 Extreme. Это позволило разработчикам уменьшить время выполнения одной операции с 15 до 11 тактов и обеспечить должную масштабируемость вычислений.

Основная ставка в Core i7 сделана на кэш-память третьего уровня объемом 8 МБ, который является инклюзивным: он содержит все записи из L1 и L2, таким образом, снижая трафик запросов. Восьмимегабайтный буфер способен хранить большое число, часто используемых ядрами, инструкций. Чем выше загрузка кэша третьего уровня, тем эффективнее проявляет себя Core i7 в мультипоточных приложениях.

С приходом процессоров архитектуры Nehalem возвращается фирменная технология Intel Hyper-Threading (HT), также известная как Simultaneous Multithreading (SMT, технология «одновременной мультипоточности»). Принцип ее работы заключается в распределении операций с данными между двумя виртуальными потоками одного физического ядра. В частности, четырехъядерные модели Core i7 будут функционировать в 8 потоков.

Механизм работы технологии Hyper-Threading

Hyper-Threading позволяет эффективно обрабатывать разнотипные данные в пределах одного ядра. В то же время, интенсивные вычисления схожей природы увеличивают нагрузку на буфер изменения порядка команд (reorder buffer) вследствие соперничества операционных блоков за первоочередной доступ к кэшу. В подобных условиях активация HT приносит мало пользы, а в некоторых игровых приложениях даже приводит к снижению производительности.

Впрочем, основная масса программ положительно реагирует на многопотоковый алгоритм вычислений. Учитывая невысокую себестоимость внедрения Hyper-Threading и приобретенный инженерами Intel опыт, нет повода сомневаться в целесообразности нововведения.

С течением времени все большее количество разработчиков ПО будут адаптировать свою продукцию для процессоров с Simultaneous Multithreading. Уже сейчас список подобных приложений содержит, по крайней мере, полсотни наименований. Мы же приведем самые известные из них:

В первых процессорах Nehalem нашел применение обновленный до версии 4.2 набор инструкций SSE. Он включает в себя весь перечень потоковых SIMD-расширений v.4.1 плюс семь новых инструкций:

Возможности SSE 4.2

Благодаря SSE 4.2, процессоры Core i7 быстрее обрабатывают XML-код и введенный, с целью распознавания, рукописный текст. Идеально подходят для сложных математических вычислений, как-то: генный анализ, расчет расстояния Хэмминга или моделирование динамики роста населения, а также обладают расширенными коммуникационными возможностями – ускоренной работой с NAS-хранилищами и механизмом экономии электропитания в условиях Software I-SCSI, RDMA и SCTP.

Плавно переходя к описанию платформы Intel LGA1366 в целом, выделим два архитектурных блока, связывающих кристалл процессора с другими компонентами системы, – это QuickPath Interconnect (QPI) и Integrated Memory Controller (IMC).

Появление шины QPI обусловлено недостаточной пропускной способностью прежнего «мостика» между процессором и чипсетом – Front Side Bus (FSB). QPI действует в двунаправленном режиме, позволяя более гибко распределять системные ресурсы. Похожий по назначению интерфейс HyperTransport уже на протяжении нескольких лет используется в платформах AMD.

Функциональная схема QuickPath Interconnect

Один модуль QPI поддерживает 20 линий передачи данных в обоих направлениях со скоростью 6,4 ГТ/с. Суммарная пропускная способность шины – 25,6 гигабайт информации в секунду. Напомним, что в случае с Front Side Bus фигурировала цифра 12,8 ГБ/с, однако такой объем одновременно передаваемых данных был доступен только для чтения или только для записи. Таким образом, интерфейс QPI в 2-3 раза «шире» предшественника и к тому же не обременен взаимодействием с оперативной памятью – для этого есть встроенный контроллер DDR3.

Ядро настольных Core i7 имеет одну шину QPI, а вот в серверных процессорах содержатся два одноименных интерфейса. Один из них, по-прежнему, отвечает за связь с чипсетом, а второй служит «мостиком» между процессорами. В любом случае, производительности QuickPath Interconnect вполне достаточно, чтобы обеспечить жизнедеятельность платформ с несколькими CPU.

Принцип работы QPI в настольных и серверных платформах

Последний важный элемент процессорного кристалла Bloomfield – Integrated Memory Controller (IMC). Напомним, что это первый опыт Intel в переносе управляющих структур памяти из северного моста в тело CPU.

Integrated Memory Controller

Дебютное воплощение IMC предлагает трехканальный (192-битный) режим работы оперативной памяти. Поэтому считается, что лучшими наборами модулей RAM для платформы Nehalem LGA1366 станут комплекты DDR3, состоящие из трех планок. Впрочем, предварительные тесты показывают лишь небольшой, 1-5-процентный, прирост производительности при переходе с двух- на трехканальную организацию подсистемы памяти.

В целом, сниженная латентность доступа к RAM, возникшая за счет переноса IMC в тело процессора, дает значительный прирост пропускной способности памяти. Интересно другое: в большинстве приложений DDR3-1066 CL7 ничуть не уступает DDR3-1600 CL8, следовательно, потребность мощных систем в высокочастотных модулях памяти отходит на второй план.

Платформа LGA1366

Жизнеспособность процессоров линейки Core i7 обеспечивают соответствующие материнские платы на базе чипсета Intel X58 Express (Tylersburg). Упомянутый набор логики, в свою очередь, состоит из северного моста X58 IOH и южного моста ICH10(R), знакомого по актуальным предложениям на 775-м сокете.

Структурная схема чипсета Intel X58

Официально Core i7 рекомендуется использовать с планками DDR3-1066 (8,5 Гбит/с), однако существуют достоверные сведения об успешной работе на платах Intel X58 модулей памяти номиналом 1600 МГц и выше. В расчете на трехканальные комплекты оперативной памяти предусматривается, как правило, 3 или 6 слотов RAM; максимальный объем устанавливаемой DDR3 – 4 ГБ на один слот. На всякий случай отметим, что материнские платы LGA1366 под DDR2 выпускаться не будут, т.к. поддержка второго поколения DDR не реализована на уровне контроллера.

Графическая подсистема включает в себя от 2 до 4 слотов PCI-Express 2.0 (всего 36 линий, с возможностью расширения), совместимых с конфигурацией ATI CrossFireX и опционально с NVIDIA SLI. Производители материнских плат могут выбирать между программным и аппаратным способом реализации SLI. Впрочем, оба пути сопряжены с существенными материальными затратами, поэтому тандем видеокарт GeForce мы, скорее всего, увидим только на флагманских изделиях.

В качестве наглядного примера приведем эталонную материнскую плату производства Intel Corporation:

Intel DX58SO

Как вы уже успели заметить, Core i7 использует новый, 1366-контактный процессорный разъем, и, кроме того, индивидуальный socket backplate толщиной 2,5 мм. Разъем LGA1366 имеет выраженную прямоугольную форму и отличное от LGA775 расстояние между отверстиями крепления кулера. Площадь ядра первых процессоров Nehalem по сравнению с Penryn выросла незначительно, поэтому в охлаждении новых CPU могут использоваться прежние кулеры, установленные при помощи переходника (LGA1366 mounting kit).

Модельный ряд Core i7, энергопотребление и производительность

17 ноября 2008 года – официальный старт продаж процессоров Intel Core i7. В общей сложности, на прилавках магазинов появятся три модели Core i7 номиналом 3,20, 2,93 и 2,66 ГГц. Результирующая частота дебютных четырехъядерников Nehalem формируется путем произведения опорной частоты шины QPI (133 МГц) на процессорный множитель – полное соответствие современной платформе AMD.

Процессор Core i7 и сокет LGA1366

В состав коробочных версий Core i7, как и раньше, входит сам процессор, стоковый кулер и инструкция по эксплуатации CPU. Каких-либо радикальных новшеств в дизайне охладителя не предусмотрено – увеличены лишь его размеры и расстояние между креплениями к печатной плате.

Приятно отметить, что фактическое энергопотребление Core i7 в нагрузке не превышает TDP процессоров Core 2 Extreme с 12 MB кэша. В режиме простоя «аппетит» Bloomfield и того ниже, благодаря ряду нововведений, которым мы посвятим несколько последующих абзацев.

Относительная экономичность Core i7 обусловлена низким рабочим напряжением (1,20 В), обновленной иерархией структур кэш-памяти и размещением в теле процессора специального микроконтроллера Power Control Unit (PCU). В функциональные обязанности последнего входит мониторинг и регуляция показателей напряжения, силы тока и температуры ядер. Среди прочего, PCU способен полностью отключать одно или несколько ядер от энергоснабжения.

Power Control Unit

Другим интересным новшеством является технология Turbo Mode, сочетающая в себе функции энергосбережения и автоматического разгона процессора. Активация режима Turbo Mode связана с двумя обязательными условиями: уровень энергопотребления должен быть ниже порогового значения (точная цифра не сообщается), выполняющееся приложение должно быть слабо оптимизировано под многопотоковые вычисления. Приведем наглядный пример:

Пример работы технологии Turbo Mode

Слева изображена работа процессорных ядер без участия Turbo Mode: все 4 ядра работают с одинаковой нагрузкой. Справа Turbo Mode уже активирован: два ядра полностью отключены, а другая пара ядер функционирует в режиме небольшого разгона путем поднятия коэффициента умножения процессора на 1 или 2 пункта.

По аналогичной схеме осуществляется автоматический разгон процессора в случае его 100%-ной загрузки:

Пример работы технологии Turbo Mode

По последней информации, Turbo Mode не влияет на общую стабильность системы при разгоне CPU. В любом случае, данную технологию легко отключить через BIOS материнской платы.

В заключение перечислим основные категории приложений, в которых процессоры Core i7 демонстрируют особую эффективность по сравнению с поколением Penryn. Во-первых, это любое программное обеспечение, оптимизированное под многопоточную обработку данных (см. выше). Во-вторых, Core i7 благоволит к большинству других программ, как-то архиваторы, приложения для работы с графикой, аудио, видео, базами данных и т.п. Практически единственное и, в то же время, весьма неприятное исключение из правил – производительность в играх. Показатели эффективности Core i7 подробно рассмотрены в одном из следующих материалов.

Выводы

Выпуск Intel Core i7 (Bloomfield) – безусловно, менее яркое событие, чем сенсационное пришествие процессоров Core 2 в 2006-м году. Однако не стоит недооценивать новичка. В лице Core i7 на рынок выходит продукт высшего разряда, как в плане производительности, так и с точки зрения технологического исполнения. Компания Intel впервые применила встроенный контроллер памяти, причем, сразу же трехканальный, и отказалась от использования шины FSB. Внедрение новых энергосберегающих функций и технологий позволят, как снизит нагрев, так и повысить быстродействие при выполнении однопоточных приложений. Кроме того, была возвращена технология Hyper-Threading, которая не использовалась после выхода процессоров семейства Core 2. Несмотря на серверную архитектуру, новые CPU имеют все шансы стать именно настольными после внедрения многопоточной обработки в обычные и игровые приложения, которые поднимут эффективность данных процессоров.

С другой стороны, молодую архитектуру Nehalem могут также преследовать различные «болезни роста», а это воистину подходящий момент для реванша со стороны AMD. Воспользуется ли Advanced Micro Devices шансом максимально приблизиться к вычислительному потенциалу Core i7, мы узнаем с январским анонсом Phenom X4 на ядре Deneb. Правда, во второй половине 2009 г. Intel всерьез рассчитывает закрепить доминирующее положение на рынке топовых CPU после релиза Westmere – 32-нм процессоров с высокими таковыми частотами, сниженным энергопотреблением, увеличенным объемом кэша и новой ревизией контроллера памяти. Ждем с нетерпением!