Двуядерные процессоры Intel: детали и сроки появления

Закончившийся на прошлой неделе традиционный осенний Форум Intel для разработчиков среди прочего разнообразия новых технологий практически впервые официально подчеркнул курс компании Intel на постепенный переход к многоядерной архитектуре процессоров. До этого мы могли узнавать об этом лишь посредством слухов и частично видеть некие подробности на туманных слайдах с возможными планами развития процессорных семейств компании.

Теперь ожидания трансформировались в явь: несколько дней назад, на IDF Fall 2004, проходившем в Сан-Франциско, президент и главный директор Intel Пол Отеллини (Paul Otellini), среди прочих полупроводниковых тенденций, официально представил идею новых процессоров с несколькими ядрами.

Не останавливаясь в рамках этого материала на стратегии "цифрового дома" - краеугольной идее всех выступлений руководителей Intel на прошедшем Форуме, отметим, что в большинстве случаев центральным компонентом новой стратегии Intel теперь станет обновление всех основных семейств процессоров моделями с несколькими ядрами. Переход от количественной "гонки мегагерцев" к качественной парадигме экономичного процессора свершился, надо сказать, не сразу. Одно время - по крайней мере, до начала лета-2004, "качественные" и "количественные" идеи сосуществовали в стратегии Intel, что называется, бок о бок. Однако, после того как этим летом мы сказали последнее "прощай" ядру Jeyhawk, курс Intel на многоядерные стал очевидным, а после IDF Fall 2004 - еще и официально подтвержденным.

Нельзя сказать, что работа Intel над многоядерной архитектурой процессоров проявилась спонтанным революционным образом. Идея распараллеливания вычислений наряду с введением экономичных энергосберегающих цепей велась Intel на протяжении нескольких последних лет. Вот как на эту тему высказался в дни Форума м-р Отеллини:

"Три года назад на Форуме Intel для разработчиков мы говорили, что корпорация Intel создаст фундаментальные технологии и новые возможности интегрированных микросхем, обеспечивающие новые возможности и функциональность компьютерных систем. Технология Hyper-Threading и технология Intel Centrino для мобильных ПК стали первыми примерами такого, ориентированного на пользователя, подхода. Теперь мы планируем продолжить работу в этом направлении и внедрить процессоры с несколькими ядрами в нашу продукцию".

И действительно, технология Hyper-Threading стала важным шагом на пути к процессорам с несколькими ядрами. После ее выпуска разработчики ПО стали создавать больше приложений с поддержкой параллельной обработки потоков. В результате сегодня многие программисты готовы использовать возможности процессоров с несколькими ядрами - как морально, так и технически, уверенно оперируя соответствующим программным инструментарием.

"Новая технология корпорации Intel не просто позволяет поместить два ядра на одну подложку", заметил Отеллини, "технология процессоров с несколькими ядрами позволит разработчикам использовать имеющиеся ресурсы и инструментальные средства, чтобы предоставить конечным пользователям новые преимущества".

В качестве примера будущего процессора Intel с несколькими ядрами Отеллини продемонстрировал работающий процессор нового поколения семейства Intel Itanium с рабочим названием Montecito. Фактически, Montecito – лишь один из нескольких проектов Intel по выпуску процессоров с несколькими ядрами для ноутбуков, настольных ПК и серверов, которые Intel представила на IDF.

В рамках предлагаемого сегодня материала мы попробуем ознакомить читателей с самыми общими положениями 2-ядерных архитектур для каждого из основных современных процессорных рынков - мобильного, серверного и для настольных ПК. Подразумевается, что каждое из них заслуживает отдельного детального описания, однако, смысл в таких публикациях появится лишь по мере появления соответствующей документации от Intel. Сегодняшняя информация по 2-ядерным платформам будет представлена в последовательности, соответствующей стадии разработки архитектуры. Например, если серверный 2-ядерный чип Montecito уже представлен в кремне, то мобильный Yohan пока что не более чем возможный концепт.

Montecito - следующее многоядерное поколение процессоров Itanium

Процессор Montecito отличается от нынешних линеек серверных процессоров Itanium 2 не только наличием двух ядер, но и тем, что в нем содержится порядка 1,7 млрд. транзисторов (в 10 раз больше, нежели в нынешнем "настольном" Pentium 4 с ядром Prescott!), 24 Мб встроенной кэш-памяти L3, по 1,2 Мб кэша L2 на каждое ядро (1 Мб кэш инструкций, 256 Кб кэш данных).

Наряду с распараллеливанием вычислений на два физических ядра, чип Montecito также поддерживает технологию Hyper-Threading, что фактически означает работу двух ядер в качестве четырех виртуальных логических процессоров, и все это - в одном процессорном корпусе.

Проецируя возможности таких чипов на современные 4-процессорные сервера на базе процессоров Itanium можно сказать, что совсем скоро появится возможность реализации в тех же четырех процессорных разъемах системы на 16 логических процессорах - 4 х 4.

В настоящее время 2-ядерный Montecito, изготавливаемый с применением норм 90 нм техпроцесса, представлен в кремне степпингом A0. Вкратце его можно охарактеризовать как чип с двумя ядрами Itanium2, управляемыми внутренним модулем "арбитража", с увеличенным до 24 Мб кэшем L3.

Как известно, Montecito готовится для многопроцессорных серверных систем с архитектурой IA-64. Под 2-процессорные серверы будет выпущен 90 нм 2-ядерный вариант процессора с кодовым названием Millington. Затем Montecito и Millington мигрируют на 65 нм нормы техпроцесса и обзаведутся новым рабочим названием Montvale. Царство многоядерных решений с архитектурой IA-64 наступит ориентировочно в 2007 году, когда на свет явится многоядерное 65 нм решение Tukwila для сектора многопроцессорных систем и чип Dimona - для 2-процессорных.

Разумеется, основной проблемой, встающей перед разработчиками серверов на базе таких процессоров, является не столько собственно создание 2-ядерных чипов Montecito, сколько вопросы эффективного распараллеливания вычислений. Однако, выгодность таких решений очевидна уже сейчас, ибо многоядерность может значительным образом снизить стоимость владения производительными серверными системами. 

Интересно также отметить, что наряду с широким продвижением многоядерных решений с архитектурой IA-64, для серверного рынка подготавливаются и кое-какие многоядерные решения на замену нынешнему поколению IA-32 чипов Xeon. Пока что - по крайней мере, в начале 2005 года, нам стоит ожидать появления новой версии IA-32 чипов Xeon MP с ядром Cranford (1 Мб кэша L2, поддержка технологии EM64T, 667 МГц FSB), и далее - его усовершенствованного варианта Potomac с 8 Мб кэша L3.

После этого - возможно, уже во втором полугодии 2005, можно ожидать анонса 2-ядерного чипа Tulsa на базе дизайна Potomac. Однако, уже сейчас известно о разработке IA-32 чипа с рабочим названием Whitefield для сегмента, занимаемого нынешним Xeon MP, который со временем сменит 2-ядерный чип Tulsa. Для любопытных могу сообщить интересную подробность: в отличие от мобильных чипов Pentium M, разработка которых в основном ведется в израильском отделении Intel, дизайн и архитектура чипа Whitefield создаются в индийском отделении компании. Сейчас очень трудно сказать, выживет ли Whitefield с архитектурой IA-32 под натиском современных решений на базе IA-64, однако, не исключено, что мы увидим реализацию этого чипа в многоядерном исполнении.

Многоядерный чип для настольных ПК: Smithfield и не только он...

Привычная всем процессорная архитектура Intel NetBurst для настольных ПК получит свою 2-ядерную инкарнацию в виде IA-32 чипа с рабочим названием Smithfield, который впервые появится в 2005 году. К сожалению, нынешний IDF не принес фотографий или точных характеристик чипа Smithfield, хотя, настольная система на базе несерийного двуядерного чипа и набора логики Intel 915 все же демонстрировалась. Скорее всего, это означает, что дизайн чипа в целом уже готов, но некоторые детали еще "не подогнаны". Появление образцов чипа у OEM-партнеров в целом ожидается в течение года, а это значит, что впереди еще верификация процесса производства, отладка, коррективы в фотомасках и, возможно, не один промежуточный степпинг.

Тем не менее, первые массовые версии чипа Smithfield есть смысл ожидать в версии, произведенной по нынешним 90 нм нормам техпроцесса, ибо грядущий 65 нм техпроцесс Intel пока что находится в стадии пробного производства памяти SRAM, а это значит, что до массового производства CPU пройдет значительный отрезок времени. Вряд ли есть смысл откладывать выпуск чипа Smithfield на столь отдаленную перспективу.

Достоверных данных о внутренней архитектуре чипа Smithfield пока нет, однако, с высокой долей вероятности можно предположить, что процессор будет базироваться на нынешнем дизайне чипа Prescott с поддержкой Hyper-Threading, системы безопасности LaGrande,  виртуальной технологии Vanderpool, будет поддерживать 64-битные расширения EM64T (Clackamas). Размеры кристалла процессора Smithfield пока также трудно предсказать, однако, вряд ли они превысят 200 кв. мм, даже с учетом размещения двух процессорных ядер и увеличения кэша L2.

Yonah: первая 2-ядерная ласточка для мобильных ПК

Наиболее загадочной до сих пор остается реализация 2-процессорной архитектуры для мобильных компьютеров, тем более, что чип Yonah, скорее всего, изначально будет производиться на линиях с соблюдением норм 65 нм техпроцесса. Скорее всего, именно по этой причине демонстрации чипа Yonah на прошедшем Форуме не было, хотя, "живьем" был показан Montecito, а  Smithfield демонстрировался в составе рабочего ПК.

Первоначально ожидается появление реализации Yonah с небольшим размером кэша L2, всего 2 Мб на оба процессорных ядра. Напомню, что у современного Pentium M с 90 нм ядром Dothan такой размер кэша приходится на одно ядро. Скорее всего, архитектура Yonah будет рассчитана на использование ресурсов кэша L2 совместно обоими ядрами. Ожидается, что в следующем поколении этих процессоров под кодовым названием Merom количество кэша L2 будет увеличено до 4 Мб.

Ожидается, что основным отличием 2-ядерного дизайна новых мобильных чипов от нынешних процессоров Dothan станет применение нескольких новых технологий  - LaGrande, Vanderpool etc. Отдельной строкой в разработке многоядерных мобильных чипов идет экономия энергопотребления. Наряду с исключительно технологическими способами борьбы с утечками тока, подготавливаемыми к внедрению на производственных линиях с нормами 65 нм, ожидается широкое использование технологии динамического изменения нагрузки процессоров, немалую роль в этом сыграет принятие в свое время стандарта ACPI 3.0.

2-процессорные чипы Intel: определимся со сроками массового внедрения

По предварительным данным, Intel планирует начать массовые поставки своих 2-процессорных CPU для всех трех основных сегментов рынка на протяжении 2005 года. Каким образом будет происходить этот процесс, с какими временными рамками, сейчас можно предположить лишь в общих чертах, ибо участившиеся в последнее время переносы начала массовых поставок чипов не очень располагают к смелым прогнозам на длительные сроки. Тем не менее, ожидается, что в 2006 году доля 2-ядерных процессорных решений Intel для рынка серверов может превысить 85%, для рынка производительных (именно производительных, а не mainstream) десктопов этот показатель может достигнуть 40%, для производительных мобильных ПК экспансия 2-ядерных решений прогнозируется на уровне 70%.

Разумеется, в более дальней перспективе (2006 - 2007 года) уже придется говорить не о 2-ядерных решениях, а о более продвинутых. Например, для серверного рынка Intel намерена выпускать многоядерные решения Whitefield и Tukwila для платформ IA-32 и IA-64 соответственно. Для таких процессоров поддержки обычной SMT или технологии Hyper-Threading будет явно недостаточно, и инженерам еще предстоит поработать над реализацией аппаратной и программной поддержки реальной многопоточности обработки данных.

Внедрение многоядерных решений в настольные ПК видится не столь стремительным, и тому есть несколько объективных причин. В первую очередь не стоит забывать о термических характеристиках таких решений, ибо TDP (Thermal Design Power) даже нынешних одноядерных решений весьма далек от идеала. Вполне возможно, что усовершенствование 90 нм техпроцесса и по возможности удачный старт 65 нм производства несколько снизят эту проблему. Вторая сторона вопроса - значительные размеры кристалла чипов для настольных ПК, значительные даже у нынешних 90 нм процессоров с архитектурой NetBurst по сравнению с реализациями Pentium M. Разумеется, новые многоядерные чипы пройдут целый ряд оптимизаций и схемотехнических усовершенствований, однако, не думаю, что цена таких процессоров достаточно быстро станет сравнимой с обычными одноядерными решениями. Таким образом, можно вполне логично предположить, что переход настольных ПК на массовое использование 2-ядерных решений займет три - четыре года.

Что касается сектора мобильных ПК, переход на использование двуядерных решений здесь ожидается более динамичным, нежели в секторе настольных решений. Как известно, даже у современных мобильных процессорных решений Intel изначальной установкой была и остается экономичность. Вот почему переход к многоядерной архитектуре будет не таким сложным. Опять же, не стоит забывать о размере кристалла: даже не оперируя точными цифрами (которых, кстати, пока нет) можно с полной уверенностью предположить, что площадь кристалла будущего процессора Pentium M с ядром Yonah будет значительно меньше, нежели у чипа Smithfield.

Вытекающие из этого факта выводы о меньших сложностях с производством мобильных процессоров не оставляют сомнений о более быстром достижении массовости 2-ядерных решений для ноутбуков. Кстати, не стоит забывать, что в ближайшей перспективе у мобильных чипов Intel не предвидится ни реализации технологии Hyper-Threading, ни поддержки EM64T, а это значит, что 2-ядерный дизайн будет здесь наиболее востребован. В перспективе наряду с двуядерным дизайном Yonah-2P не исключено появление недорогого одноядерного чипа Yonah-1P, а также всевозможных экономичных низковольтных реализаций на его основе.