Микроархитектура Sandy Bridge

X. Микроархитектура Sandy Bridge.

Можно считать, что к 2006 году закончилась эпоха процессоров Intel с микроархитектурой NetBurst (серии Pentium 4, Pentium D), в которой основным способом увеличения производительности процессоров являлось увеличение его тактовой частоты. Причем это переосмысление методов дальнейшего развития микропроцессорной техники пришло примерно в это же время и другим производителям микропроцессоров, например, такими как главный конкурент корпорации Intel фирмы AMD. Причиной этого переосмысления явилось резкое увеличение потребляемой мощности (свыше 130 – 150 Вт на корпус) и, как следствие этого, существенное увеличение затрат на отвод тепла.

С этого времени основной задачей проектировщиков микропроцессоров стало разработка методов не просто максимального увеличения производительности, а достижения высокого уровня производительности при обеспечении энергопотребления на приемлемом уровне, т.е. улучшение энергетической эффективности работы микропроцессоров.

Энергетическую эффективность обычно характеризуют величиной, численно равной среднему количеству поглощенной энергии, приходящейся на одну выполненную инструкцию (EnergyPerInstruction, EPI).  Она измеряется  в джоулях и определяется по формуле:

                         

Заметим, что эту характеристику целесообразнее было бы назвать энергетической неэффективностью, так как чем она больше, тем хуже для  процессора, с точки зрения удельного потребления энергии.

Поскольку затраченная энергия равна произведению энергетической мощности (Power) на временной интервал (T), а количество выполненных инструкций определится произведением производительности процессора (Performance) на этот временной интервал, то:

                

То есть, энергетическую эффективность EPI можно трактовать как потребляемую мощность процессора в расчете на единицу производительности.

С другой стороны, общую производительность процессора можно выразить в виде:

                                 

Где  F – тактовая частота процессора, а IPC (InstructionPerCycle) – абсолютная производительность, определяемая как количество инструкций, выполняемых процессором за один такт.

Потребляемая же процессором мощность может быть определена по формуле:                           

Где  U – напряжение питания процессора;

С_d– динамическая емкость -  некоторая константа, которая определяется числом транзисторов в микросхеме процессора и активностью их переключения, а также технологией производства.

(Строго говоря, динамическая емкость равна отношению электростатического заряда проводника к разнице потенциалов между проводниками, обеспечивающими этот заряд).

Следовательно, энергетическая эффективность процессора может быть выражена как:

              

Отсюда следует, что энергетическая эффективность процессора не зависит от тактовой частоты, на которой работает процессор, хотя и существует некоторая зависимость между напряжением питания процессора и его возможной тактовой частотой. При одинаковой тактовой частоте, энергетическая эффективность будет тем меньше, чем меньше C_d, и напряжение питания, и чем больше инструкций выполняется за один такт.

Заметим, при этом, что напряжение питания U определяется, в основном, не архитектурой, а уровнем технологии производства микропроцессоров. Увеличение же абсолютной производительности IPC достигается путем архитектурных усовершенствований, главным образом за счет распараллеливания процессов обработки.

Поэтому разработчики обратили особое внимание на разработке методов распараллеливания вычислительного процесса. К ним относят: усовершенствование методов многозадачного режима работы, и разработка многоядерных процессоров, позволяющих эффективно реализовать этот режим на одном процессоре; разработка методов реализации многопоточной обработки (технология Hyper Threading), позволяющая выполнять одновременно два потока информации на одном ядре процессора; введение технологии SIMD (MMX, SSE, AVX), позволяющей одной инструкцией обрабатывать несколько данных; применение суперскалярных процессоров, использующих несколько исполнительных устройств и, вследствие этого исполнять несколько команд одновременно и пр.

Именно исходя с этой позиции, позиции приоритетности достижения наилучшей энергетической эффективности, специалисты фирмы Intel разработали к 2006 году новую микроархитектуру микропроцессоров – Core Microarchitecture. Эта микроархитектура легла в основу целого ряда новых серий процессоров. При этом корпорация Intel определила следующие кодовые названия этих серий: Conroe – микропроцессоры для настольных компьютеров, c энергопотреблением не более 65 Вт; Merom – микропроцессоры для мобильных ноутбуков, с энергопотреблением около 35 Вт; и  Woodcrest - микропроцессоры для серверов, с энергопотреблением до 80 Вт.

 Интересно отметить, что эта новая микроархитектура по сути является не улучшением архитектуры  NetBurst (Pentium 4), как казалось бы логичным, а дальнейшим, хотя и существенным, развитием архитектуры P6 – архитектуры предшествующего 6-го поколения семейства Х86 (процессоров Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium M).

Микропроцессоры, основанные на архитектуре Intel Core, стали обрабатывать до 4 инструкций за один такт, т.е. больше, чем все предшествующие МП семейства Х86, а также все, существующие на 2008г, разработки фирмы AMD. Длина исполнительного конвейера МП с архитектурой  Intel Core – 14 ступеней и, следовательно, их тактовые частоты не смогут повышаться до таких значений, которые позволяет архитектура NetBurst. Зато это обстоятельство позволяет существенно повысить эффективность работы микропроцессоров с точки зрения характеристики «производительность на ватт».

Еще в 2007 году корпорация Intel объявила, что в будущем она собирается придерживаться в своей деятельности по созданию новых микропроцессоров концепции «Tick-Tock» - принципа двухгодичной периодичности выпуска новой продукции. Он заключается в том, что в первый год двухлетки, вводится в эксплуатацию новый технологический процесс, для изготовления процессоров уже существующей микроархитектуры.  А на второй год, на базе этого технологического процесса, выпускается процессор принципиально новой микроархитектуры и.т.д.

В конце 2008 года было опубликовано сообщение о перспективах дальнейшего развития процессорного направления Intel после выпуска процессоров микроархитектуры Nehalem. Приведенный ниже рисунок (см. рис X.1)   иллюстрирует действие принципа Tick Tock до 2012 года.

Микроархитектура            Intel Core         (2006 – 2008)		Микроархитектура      Intel Nehalem      (2009 – 2010)		Микроархитектура      Sandy Bridge      (2011 – 2012)		Микроархитектура        Haswell       (2013 - ?)
Merom       New architecture     (65 nm)	Penrun     New   Process Technology    (45 nm)	Nehalem       New architecture    (45 nm)	Westmere     New   Process Technology    (32 nm)	Sandy                  Bridge      New architecture   (32 nm)	Ivy Bridge     New   Process Technology    (22 nm)	Haswell      New architecture   (22 nm)
TOCK	TICK	TOCK	TICK	TOCK	TICK	TOCK	TICK