Прескотина, или На процессорном ранчо Крейга Барретта

На очередном Форуме Intel для разработчиков (IDF), прошедшем в конце февраля 2003 года в Сан-Хосе (Калифорния), см. наш репортаж в «КТ» #482, корпорация Intel решила приоткрыть некоторые подробности относительно ближайшего будущего своих настольных процессоров и чипсетов, включая использование в них новой последовательной шины PCI Express. Более того, сразу после IDF всплыли некоторые дополнительные подробности на сей счет.

В первый же день IDF глава Intel Крейг Барретт на пленарном докладе продемонстрировал концептуальную настольную платформу Intel следующего поколения под кодовым названием Powersville. В ней значительное внимание уделяется важным для конечных пользователей функциям для цифрового дома и офиса. Платформа эта запланирована на 2004 год и будет базироваться на следующем поколении настольных процессоров Intel Pentium 4.

Ближайшие чипсеты

Грядущими в апреле новыми чипсетами Intel под названиями Canterwood и Sprindgale уже никого не удивишь (см., например, обзор в «КТ» #477). Intel подтвердила, что они предназначены для двухканальной памяти DDR вплоть до DDR400 суммарным объемом до 4 Гбайт, будут поддерживать новую 800-мегагерцовую системную шину процессоров Pentium 4 (такие процессоры на прежнем ядре Northwood выйдут одновременно с этими чипсетами), иметь шину AGP 8X, специальный канал связи для гигабитного Ethernet Kenai II-CSA и новый южный мост ICH5 (82801EB), оснащенный двумя портами Serial ATA (с возможностью организации простейшего RAID-массива для варианта ICH5R), двумя каналами UltraATA/100, восемью портами USB 2.0 и стандартным набором периферии. А чипсет Springdale-G (i865G) — еще и более скоростной (относительно 845GE) интегрированный видеоконтроллер. По сравнению с одноканальной DDR333 для нынешних чипсетов серии 845 (Brookdale) двухканальная память DDR400 и процессорная шина 800 МГц обещают большой прирост производительности даже при тех же тактовых частотах ядра процессора.

На IDF впервые состоялись публичные демонстрации готовых систем на базе этих чипсетов и процессоров, которые станут базисом настольных ПК архитектуры Intel на весь 2003 год. В частности, была показана эталонная платформа Statesboro, иллюстрирующая концепцию «цифрового дома» 2003 года, с помощью которой можно будет просматривать цифровые фотографии на экране телевизора и слушать цифровые музыкальные записи на домашней стереосистеме.

Платформа Statesboro включает базисные технологии для поддержки моделей использования «цифрового дома», описанных в документе Desktop Platform Vision Guide за 2003 г. Среди них — трехгигагерцовый процессор Pentium 4 с Hyper-Threading, чипсет Springdale, двухдиапазонный беспроводной сетевой контроллер 802.11, жесткий диск Serial ATA, двухканальная память DDR, а также оптический накопитель DVD/CD-RW.

Как сказал по этому поводу в частной беседе Билл Сью (William Siu), один из генеральных менеджеров Intel Desktop Platforms Group, у партнеров уже готово более сотни моделей системных плат на этих чипсетах, причем все они изготовлены по дешевой четырехслойной технологии. Несмотря на былой успех некоторых синхронных чипсетов Intel (например, 440BX или Granite Bay), встраивания специальной опции синхронной низколатентной работы в чипсеты Springdale не будет, поскольку это повысит их цену. Лишь для старшего двухканального чипсета Canterwood предусмотрен подобный низколатентный режим «Performance Acceleration Mode» (или PAT), обеспечивающий самую высокую в мире производительность при работе с памятью DDR (судя по независимым тестам — два-три процента прироста скорости в приложениях по сравнению с чипсетом Springdale). Ценовая подоплека стоит и за двумя другими «нежеланиями» Intel — отказом от разработки новых чипсетов для дорогой RDRAM PC1200/1333, а также бессмысленностью создания существенно более мощного графического ядра у своих интегрированных чипсетов: как сказал Билл, Intel знает, как это сделать и может сделать, но не видит широкого рынка для продажи таких дорогих чипсетов. Относительно возможного перевода процессоров линейки Celeron на боле быструю системную шину (после выхода Pentium 4 для FSB 800 МГц) и придания им более емкого кэша объемом 256 кбайт Билл Сью сказал, что Intel рассматривает и имеет все возможности сделать это быстро (как только в этом возникнет необходимость на рынке), однако конкретных сроков не назвал.

Попутно Intel также анонсировала полезную программу под названием Granite Peak, предусматривающую сохранение совместимости чипсетов Intel с новейшими процессорами Intel для настольных и мобильных ПК в течение шести кварталов. Эта программа должна помочь корпоративным IT-подразделениям поддерживать стандартизованные аппаратные и программные конфигурации в течение более длительных периодов времени. Сюда же входит создание единых драйверов для настольных и мобильных платформ, начиная с чипсетов Montara-G (мобильный) и Springdale-G.

Prescott

Следующее ядро процессоров Intel Pentium 4 имеет очередное географическое название — Prescott (это городок в штате Аризона). Процессоры на этом ядре должны появиться в продаже в конце 2003 года и будут изготавливаться по 90-нанометровой технологии на 300-миллиметровых подложках, причем опытные образцы этих процессоров уже имеются в распоряжении корпорации.

Процессор будет иметь системную шину с тактовой частотой 800 МГц и увеличенную кэш-память второго уровня объемом 1 Мбайт. Частота ядра, с которой начнутся модели Prescott, будет чуть выше, чем у старших на тот момент моделей Northwood (ориентировочно 3,4 ГГц) и затем достигнет четырех с лишним ГГц, а пределом для этого ядра станут, по мнению разработчиков, 5 ГГц. Кроме того, в процессоре Prescott будет реализован ряд усовершенствований технологии Hyper-Threading и микроархитектуры Intel NetBurst, о которых главный создатель этого ядра Джо Шутц (Joe Schutz), вице-президент и директор Intel Logic Technology Development, поведал на специальном докладе на IDF.

Во-первых, увеличен вдвое будет не только кэш второго уровня, но и кэш первого уровня (наконец-то). Во вторых, будет добавлено 13 новых инструкций (Prescott New Instructions или PNI), улучшающих комплексные расчеты по SSE/SSE2/x87-FP-командам при обработке данных для медиа и игр.

Эти новые инструкции не требуют специальной поддержки со стороны операционной системы (достаточно поддержки обычных SSE) и полностью совместимы с программным обеспечением, написанным ранее для процессоров Intel. В третьих, улучшен блок предсказания ветвлений. В четвертых, доработана технология Hyper-Threading с тем, чтобы сделать переключение между тредами более предсказуемым: в частности, наряду с симметричными введено понятие асимметричных тредов. Наконец, введены технология La Grande и улучшенный режим управления питанием (здесь оказали влияние некоторые идеи из процессора Banias).

В дополнение, при производстве процессоров Prescott будет применяться технология «напряженного» (strained) кремния: деформированная кристаллическая решетка такого кремния обеспечивает большую подвижность электронов, а значит, и более высокие частоты работы транзисторов.

Для борьбы с утечками транзисторов также были применены специальные меры — технологические и схемотехнические. Использование для Prescott технологии «кремний-на-изоляторе» (SOI) разработчики назвали «плохой идеей». Они также отметили, что схемотехника у Prescott существенно изменилась по сравнению с предшественниками, и большинство блоков процессора фактически было спроектировано «с нуля» в тесном сотрудничестве с разработчиками технологии производства кремниевых чипов, чтобы оптимизировать подходы проектирования.

Как сказал Луи Бернс (Louis Burns), вицe-прeзидeнт и один из генеральных менеджеров подразделения Intel Desktop Platforms Group, первоначально процессоры Prescott будут работать на чипсетах Canterwood и Springdale на системной шине 800 МГц с памятью DDR400. А Джо Шутц в частной беседе поведал, что переход в будущем на системную шину 1066 МГц прорабатывается, однако на данный момент это вопрос сложный и открытый, поскольку если кремний (процессор и чипсеты) еще вполне могут работать на таких частотах, то системные платы уже испытывают большие проблемы с интерференцией сигналов, а применение для этих целей шести- или восьмислойных плат было бы неоправданно дорогим. В любом случае, такой переход состоится не раньше следующего года и уже совместно с чипсетами для памяти DDR II, которую Intel рассматривает как магистральное направление развития памяти в будущем (см., например, обзоры на www.ferra.ru/online/system/20465 и www.ferra.ru/online/system/23951). На вопрос о проблемах работы Hyper-Threading в ряде приложений, когда наблюдается замедление производительности (вместо ускорения), Джо ответил, что в Prescott предусмотрены специальные меры для устранения подобных ситуаций — отнюдь не при помощи «отключения» второго (мешающего) треда, но более разумным путем.

Год 2004

Это всё дела ближайшего будущего, а что же ждет нас чуть позже, в 2004 году? Настольная платформа Intel следующего поколения носит кодовое название Powersville (вольный перевод с англо-французского — «город-крепость», а на самом деле — еще одно географическое заимствование) и будет базироваться на следующих компонентах:
• процессор Intel Pentium 4 на ядре Tejas (или Prescott)
• новый чипсет с кодовым названием Grantsdale для памяти DDR II
• поддержка новой последовательной шины PCI Express
• графический контроллер на шине PCI Express
• аудио следующего поколения
• улучшенная безопасность
• более тихие и компактные корпуса системных блоков

Начнем издалека. Аудио следующего поколения носит название Azalia и включает декодирование DVD-аудио и SACD, многопотоковые возможности работы, поддержку технологий Dolby Digital и THX Surround EX для цифрового домашнего центра, а также улучшенное распознавание речи и поддержку телеконференций для офисных применений. Новый компактный форм-фактор шасси для будущих компьютеров носит название Marble Falls и его проще посмотреть на фото, чем описывать словами. Согласитесь — очень симпатично.

В платформе Powersville также реализованы новые уровни функциональности для «цифрового дома»: она обеспечивает беспроводную передачу потокового видео и запись персонального видео, которые должны стать стандартными функциями домашних ПК в 2004 г.

О процессоре с кодовым именем Tejas, следующим за еще не вышедшим Prescott, пока известно мало. Как сказал Билл Сью, это будет очередной процессор макроархитектуры Intel NetBurst (то есть Pentium 4) и дальнейшее развитие новаторской архитектуры Prescott. С большой долей вероятности можно сказать, что в нем будет увеличен размер кэш-памяти и частота системной шины. Стартуя с тактовых частот ядра около 5 ГГц, он возьмет затем планку 6 ГГц и видимо даже выше. Контроллер памяти пока не будет встраиваться в сам процессор, и этому есть, по крайней мере, две причины: такой контроллер потребует более сотни дополнительных выводов на корпусе процессора, что заметно повысит его цену, а сам кристалл существенно потеряет гибкость использования — ведь для поддержки новых типов памяти потребуется перепроектировать кристалл процессора (а это очень дорогое удовольствие), тогда как сейчас можно переделывать лишь недорогой кристалл чипсета. Вместе с тем, проблемы, решаемые интеграцией контроллера памяти в процессор (это главным образом высокая латентность при обращениях к памяти) можно устранить и другими путями — например, увеличением размера кэш-памяти процессора и ускорением системной шины.

Как сказал в частной беседе главный разработчик ядра Prescott Джо Шутц, несмотря на положительный опыт Banias (короткий конвейер показывает отличную производительность в задачах) и известные недостатки предсказания команд у Pentium 4, конвейер будущего процессора укорачивать не будут, поскольку это автоматически повлечет за собой трудности с согласованием работы блоков, расположенных в разных частях кристалла, и снижение максимальных тактовых частот ядра. Наоборот, в будущих процессорах возможно увеличение длины конвейера, чтобы повысить пределы рабочих частот ядра (это будет компенсироваться соответствующим увеличением объема кэш-памяти первого и второго уровня). Похоже, что так могут поступить уже в ядре Prescott. А к 2010 году Intel ожидает освоение процессорами заоблачных пока частот 15-20 ГГц!

Хотя мультитредовость поставлена во главу угла будущих процессоров Intel, кардинального изменения технологии Hyper-Threading в сторону поддержки большего числа тредов (более двух) тоже не произойдет, так как на это существует фундаментальное ограничение. Вместе с тем, несмотря на переход на более тонкие техпроцессы производства, типичное энергопотребление будущих настольных процессоров Intel будет расти, поскольку они будут работать на более высоких частотах. В связи с этим приобретает важное значение положительный опыт разработки процессора Banias, где неиспользуемые блоки кристалла динамически отключаются, чтобы снизить энергопотребление. В будущих процессорах линейки Pentium 4 некоторые из таких наработок будут наверняка задействованы.

Есть предварительная неофициальная информация, что процессоры на ядре Tejas (и часть процессоров на ядре Prescott) будут иметь новую систему выводов, которая получила название LGA 775. Соответствующая конструкция разъема именуется Socket T, и ближе к концу 2003 года Intel планирует представить своим партнерам образцы конструкции этого разъема. LGA расшифровывается как Land Grid Array — по аналогии с нынешними Pin Grid Array (PGA) для процессоров или Ball Grid Array (BGA) для чипсетов или микросхем памяти. Конструктив LGA много дешевле, чем PGA или BGA и используется, например, компанией IBM.

В конце 2003 или начале 2004 года на смену чипсету Springdale придет новый чипсет Grantsdale, названный так в честь городка в штате Монтана около ранчо Крейга Барретта. Именно этот чипсет и будет поддерживать новый разъем LGA 775 для процессоров Tejas и Prescott с частотой системной шины 533 и 800 МГц. Кроме того, он будет содержать ряд революционных инноваций: новое графическое ядро, шину PCI Express (см. ниже), поддержку карт расширения нового формата «NEWCARD», например, для беспроводных коммуникаций, новый южный мост ICH6 и другое. Пока нет точной информации о поддерживаемых этим чипсетом типах памяти: с одной стороны, должна присутствовать поддержка двухканальной DDR400/333, но с другой Intel хотела бы заполучить в его лице и поддержку памяти DDR II 533, поскольку первые модули DDR II (причем сразу 667 МГц) уже были продемонстрированы компанией Infineon на недавно прошедшем IDF (см. «КТ» #482).

Попробуем разобраться, насколько необходима этому чипсету память DDR II. По всей видимости, системная шина процессоров до начала следующего года не превысит частоты 800 МГц. Такой шине теоретически достаточно двух каналов памяти DDR400. С другой стороны, развитая периферия, и тем более хорошее графическое ядро чипсета, будут «отъедать» еще как минимум 1-3 Гбайт/с пропускной способности памяти, то есть двух каналов DDR400 будет уже недостаточно, чтобы иметь сбалансированную систему. Если же представить многоканальную шину PCI Express с пропускной способностью 2 Гбит/с на канал, то становится понятна необходимость в DDR II не только на 533 МГц, но и на 667 МГц.

В следующем году чипсеты серии Grantsdale должны заменить линейку чипсетов Springdale: со встроенной графикой придет на смену чпсету 865G, Grantsdale-P — сменит аналогичные 865P и 865PE, а младший Grantsdale-GL — начальные чипсеты 845GL/GV. Но, видимо, главной революционной новацией в этом чипсете станет применение новой последовательной шины PCI Express.

Шина PCI Express

Уже более года одной из центральных тем на Intel Developer Форумах является будущая технология последовательной шины PCI Express. Например, наш журнал уже писал о ней год назад в репортаже с весеннего IDF — тогда эта шина называлась еще 3GIO (то есть третье поколение I/O; под двумя первыми понимаются шины ISA и PCI/PCI-X). С тех пор поменялось не только название технологии, но и многие спецификации, и нам имеет смысл взглянуть на эту технологию снова, тем более что в нынешнем году ожидается появление ее первых конкретных воплощений на рынке, а на IDF были уже продемонстрированы работающие прототипы шины PCI Express.

Группа PCI-SIG (Special Interest Group), отвечающая за продвижение стандарта PCI Express (и ряда других), насчитывает уже более 200 компаний, среди которых практически все крупные игроки IT-индустрии. По архитектуре PCI Express организуются специализированные конференции для разработчиков (например, 31 марта в Сан-Хосе), куда приглашаются и все желающие.

Ключевой особенностью шины PCI Express является переход от параллельной структуры шины (как для нынешних AGP и PCI) к тонким высокочастотным каналам последовательной передачи данных. Это находится в русле глобального перехода отрасли на последовательные шины: Serial ATA вместо UltraATA, USB вместо порта LPT и т.п. Параллельная шина PCI (Peripheral Component Interconnect), изобретенная в 1992 году и пришедшая в настольные компьютеры года два спустя, уже практически исчерпала свои возможности как по скорости, так и по удобству использования. Идущая ей на смену PCI Express является открытым индустриальным стандартом, имеет функции горячего подключения/отключения и применима для очень широкого класса устройств — от графических ускорителей до разнообразной периферии, причем она программно совместима со старой PCI. Спецификации версии 1.0 на архитектуру этой шину и на карты для нее были утверждены сообществом PCI-SIG в июле прошлого года (см., например, www.pcisig.com), однако в разработке до сих пор находится ряд дополнительных спецификаций.

Значительно большая, чем у параллельной шины PCI, пропускная способность одиночных линий связи и независимость (асинхронность) совместной работы нескольких последовательных каналов для PСI Express делает ее значительно более быстродействующей, компактной и легче конфигурируемой, чем традиционная PCI. Каждая связь «точка-точка» может иметь 1, 2, 4, 8, 12, 16 или 32 двойных полнодуплексных линии (2 дифференциальные низковольтные пары, 4 контакта, 8B/10В-кодирование данных) со встроенным тактированием и эффективной скоростью передачи данных 2,0 Гбит/с (частота передачи 2,5 ГГц), обеспечивая масштабируемость полосы пропускания до 16 Гбайт/с между узлами и обладая при этом низкой латентностью (малыми задержками сигнала). Поскольку даже одна линия имеет полосу пропускания 500 Мбайт/с, чего вполне достаточно для огромного числа применения внутри нынешних компьютера (сравните со 133 Мбайт/с для 32-битной шины PCI в настольных ПК), то становится возможным применение уникально компактного форм-фактора как для самого разъема шины, так и для подключаемых к ней периферийных устройств, а применение шины экономит много места на плате и удешевляет ее (исключаются некоторые микросхемы, упрощается разводка):

Плюс к этому PCI Express обладает рядом расширенных команд и возможностей, подробно останавливаться на которых в этой статье мы не имеем возможности. Пока что шина PCI Express рассчитана на использование только внутри компьютеров (для внешних связей есть высокоскоростные InfiniBand и Fibre Channel), однако стандарт предусматривает в будущем расширение этой шины и за пределы корпуса.

Шина PCI Express призвана заменить большинство шин внутри компьютера, однако первые годы она будет сосуществовать с шинами PCI, AGP и PCI-X (и даже с новомодной шиной HyperTransport), причем шину AGP она заменит совсем скоро, поскольку легко обеспечивает удвоение пропускной способности свежей AGP 8X.

Сперва шина PCI Express появится в серверных чипсетах Intel, где встраивание ее поддержки непосредственно в северный мост позволит сэкономить до 30% стоимости (и до 53% места) по сравнению с шиной PCI-X (при этом связь с южным мостом также будет идти по PCI Express).

Сначала выйдут два таких серверных чипсета — Lindenhurst (двухпроцессорный) и Twin Castle (четырехпроцессорный) для Intel Xeon. Затем PCI Express появится в настольных системах (см. выше), где она будет встроена в южный (а не северный) мост, и в мобильных компьютерах — как в виде внутренней шины Mini-PCI Express, так и в виде нового стандарта карт расширения NEWCARD (на смену PCMCIA).

Для операционных систем нового поколения, начиная с Windows XP, дополнительных драйверов для штатного функционирования шины PCI Express не потребуется, однако для активации новых функций шины дополнительное ПО будет необходимо. Что ж, осталось только дождаться и насладиться.