Процессоры: гигагерц и около того

Тихо и скромно процессоры для ПК перешагнули исторический рубеж в 1 ГГц

 Владимир Богданов

Гигагерц взят, продвижение продолжается

Intel Willamette — новая архитектура 32-разрядного чипа

AMD Athlon: 1,1 ГГц — демонстрация, 1 ГГц — поставки

Коротко о многогигагерцевых амбициях IBM

VIA Cyrix III — иногда лучше жевать, чем говорить

Alpha тоже получит заслуженный гигагерц

Гигагерц взят, продвижение продолжается

И все-таки раньше процессорная жизнь была веселее. Приблизительно четверть века назад человечество перешагнуло барьер в 1 кГц, и эта размерность исчезла из процессорного лексикона. «Мощность» процессора стала исчисляться в мегагерцах тактовой частоты (что, строго говоря, неправильно). Еще года три назад каждый 100-мегагерцевый шаг на повышение тактовой частоты отмечался как настоящее событие: с продолжительной маркетинговой артподготовкой, технологическими презентациями и в финале — праздником жизни. Так было приблизительно до тех пор, пока частота «настольных» процессоров не добралась до 600 МГц (когда тезку Mercedes поминали всуе в каждой публикации), а основной технологией производства чипов не стала 0,18 мкм. Потом стало «неинтересно»: повышения тактовой частоты происходили ежемесячно, а под занавес прошлого года Intel и вовсе «подорвала» информационный рынок, объявив одновременно 15 новых процессоров. Пятнадцать кремниевых микросенсаций комом упали на наши головы, и за разбирательством особенностей каждого представленного чипа был утерян общий праздничный дух события. Поэтому ничего удивительно, что два ведущих производителя процессоров для ПК (Intel и AMD) чересчур буднично преодолели планку в 1 ГГц, сделав вид, что ничего особенного не произошло. В ворохе Internet-комментариев попалось лишь одно вычурное сравнение с преодолением звукового барьера, а так — никакого салюта и шампанского. Оно и понятно: планы разработчиков уже давно устремлены в загигагерцевое пространство. Кристалл Intel Willamette с тактовой частотой 1,3-1,5 ГГц мы увидим уже во второй половине этого года, а говорить будем уже об особенностях архитектуры, а не о циклах в секунду.

Свой маркетинговый гигагерц давно уже имелся и в запасе AMD. Компания официально сотрудничает с «повелителями холода» из фирмы KryoTech, а Athlon оказался вполне перспективным процессором для разгона в условиях экстремального охлаждения. Гигагерцевое решение на базе охлажденного Athlon 850 МГц было доступно в продаже еще в январе.

Маркетинговая ситуация несколько накалилась, когда в начале марта AMD начала отгрузку в ограниченных количествах комнатно-температурных процессоров Athlon c частотой 1 ГГц. Делать нечего, и Intel пришлось доставать туза из рукава — Pentium III (Coppermine) 1 ГГц. Хотя выпуск последнего планировался на вторую половину года. Но ни для кого не секрет, что взятие гигагерцевого барьера — аг преждевременный как для AMD, так и для Intel. Но им так хотелось быть первыми. Вряд ли можно позавидовать двум респектабельным компаниям, которые бегают вокруг единственного стула с цифрой 1 и с ужасом ждут, когда оборвется музыка. AMD просто удалось усесться первой — и больше это ровным счетом ничего не значит. Как в космонавтике: человека первыми запустили в СССP, а летать стали чаще (и дешевле) «вторые» американцы. Ну и наоборот: они — на Луну, а мы сказали «фи», и весь задор пропал. Впрочем, гонка тактовых частот давно уже имеет чисто маркетинговую подоплеку: люди, как известно, склонны покупать мегагерцы, а не индексы производительности. Тактовая частота процессора, как и прежде, — вопрос престижа и мещанский показатель «навороченности» компьютера.

Еще один подрастающий игрок микропроцессорного рынка — тайваньская фирма VIA месяц назад официально представила своего первенца. Микропроцессор, известный ранее под кодовым именем Joshua, получил очень оригинальное название Cyrix III и начал конкурировать с Celeron снизу, в нише самых дешевых компьютеров. Конечно, в ближайший год ему не видать частоты в гигагерц как своих ушей, но этот «настольный» чип интересен уже самим фактом своего существования во враждебном окружении.

В данном обзоре речь, как всегда, пойдет о новых продуктах и планах ведущих разработчиков микропроцессоров для ПК, без оглядки на то, преодолели ли они гигагерцевый избирательный барьер.

Intel Willamette — новая архитектура 32-разрядного чипа

32-разрядный процессор Intel с кодовым именем Willamette (по названию реки в штате Орегон, протяженностью 306 км) появится на рынке во второй половине этого года. Основанный на новой архитектуре, он станет самым мощным процессором Intel для настольных систем, а его стартовая частота будет существенно выше 1 ГГц (ожидается 1,3-1,5 ГГц). Поставки тестовых образцов процессора OEM-производителям ведутся уже почти два месяца. Чипсет для Willamette известен под кодовым именем Tehama.

Что же скрывается под загадочным термином «новая архитектура»? Для начала — поддержка внешней тактовой частоты 400 МГц (то есть частоты системной шины). Это в три раза быстрее, чем хваленые 133 МГц, поддерживаемые современными процессорами класса Pentium III. На самом деле 400 МГц – это результирующая частота: то есть шина имеет частоту 100 МГц, но способна передавать четыре порции данных за цикл, что и дает в сумме аналог 400 МГц. Шина будет использовать протокол обмена данными, аналогичный тому, что реализован у шины P6. Скорость передачи данных у этой 64-разрядной синхронной шины составляет 3,2 Гбайт/с. Для сравнения: у шины GTL+ 133 МГц (той, что используют современные Pentium III) пропускная способность составляет чуть больше 1 Гбайт/с.

Вторая отличительная черта Willamette — поддержка SSE-2 (Streaming SIMD Extensions 2). Это набор из 144 новых инструкций для оптимизации работы с видео, шифрованием и Интернет-приложениями. SSE-2, естественно, совместимы с SSE, впервые реализованными в процессорах Pentium III. Поэтому Willamette сможет успешно использовать сотни приложений, разработанных с учетом SSE. Сам Willamette использует для поддержки как целочисленных вычислений, так и операций с плавающей запятой 128-разрядные регистры XMM. Если не вдаваться в подробности, то задача SSE2 — компенсировать не самый сильный на рынке блок операций с плавающей запятой. В случае поддержки SSE2 со стороны сторонних производителей ПО (Microsoft двумя руками «за») никто и не заметит подмены на фоне роста производительности.

И, наконец, третья ключевая особенность Willamette — более глубокая конвейеризация. Вместо 10 стадий теперь используется 20, что позволяет существенно увеличить общую производительность при обработке отдельных сложных математических приложений и повысить тактовую частоту. Правда «глубокий» конвейер — это палка о двух концах: время отработки операции резко сокращается, но увеличивающееся время задержки при отработке взаимозависимых операций может «компенсировать» прирост производительности конвейера. Для того чтобы этого не произошло, разработчикам пришлось увеличить интеллектуальность конвейера — повысить точность предсказания переходов, которая превысила в среднем 90%. Еще один путь повышения эффективности длинного конвейера — приоритезация (упорядочение) инструкций в кэше. Функция кэша в этом случае — расположить инструкции в том порядке, в котором они должны выполняться. Это чем-то напоминает дефрагментацию жесткого диска (только внутри кэша).

Кэш кэшем, но наибольшие нарекания в течение длительного времени вызывала производительность блока целочисленных вычислений у современных процессоров. Целочисленные способности процессоров особо критичны при выполнении офисных приложений (всяких там Word и Excel). Из года в год что Pentium III, что Athlon показывали просто смешной прирост производительности на целочисленных вычислениях при повышении тактовой частоты (счет шел на единицы процентов). В Willamettе реализовано два модуля целочисленных операций. Пока о них известно то, что каждый способен выполнять две инструкции за такт. Это значит, что при частоте ядра в 1,3 ГГц результирующая частота целочисленного модуля эквивалентна 2,6 ГГц. А таких модулей, подчеркиваю, два. Что позволяет выполнять, по сути, четыре операции с целыми числами за такт.

О размере кэша в предварительной спецификации Willamette, опубликованной Intel, не упоминается. Но есть «утечки», свидетельствующие о том, что кэш L1 будет иметь размер 256 Кбайт (у Pentium II/III кэш L1 составляет 32 Кбайт — 16 Кбайт для данных и 16 Кбайт для инструкций). Тот же ореол таинственности окружает и объем кэша L2. Наиболее вероятный вариант — 512 Кбайт.

Процессор Willamette, по некоторым данным, будет поставляться в корпусах с матрично-штырьковым расположением контактов для розетки типа Socket-462.

AMD Athlon: 1,1 ГГц — демонстрация, 1 ГГц — поставки

Словно отыгрываясь за предыдущую стратегию следования за лидером, компания AMD проворно щелкнула по носу всей компьютерной индустрии, продемонстрировав в начале зимы процессор Athlon c тактовой частотой 1,1 ГГц (точнее — 1116 МГц). Все решили, что шутит. Дескать, ну есть у нее удачные процессоры, но все знают, насколько велик временной лаг между демонстрацией и массовым производством. Но не тут-то было: спустя месяц Advanced Micro Devices начала серийные поставки процессоров Athlon с тактовой частотой 1 ГГц. А все сомнения в их реальной доступности развеяли компании Compaq и Gateway, предложившие элитные системы на базе этих чипов. Цена, конечно, не оставляла особо приятного впечатления. Гигагерцевый Athlon стоит около 1300 долл. в партиях по тысяче штук. Но у него есть вполне приятные младшие братья: Athlon 950 МГц (1000 долл.) и Athlon 900 МГц (900 долл.) Однако таких процессоров мало, поэтому и цены заоблачные.

Продемонстрированный ранее Athlon 1116 МГц сам по себе был примечательным. Проектные нормы — 0,18 мкм, использованы медные соединения, тепловыделение — нормальное: работает при комнатной температуре с обычным активным радиатором. Но, как оказалось, то был не просто Athlon (у «просто» межсоединения алюминиевые), а Athlon Professional (кодовое название — Thunderbird). Реальное появление такого процессора на рынке ожидается лишь в середине года (предположительно в мае). Только частота будет пониже, и стоить он будет не «гигагерц долларов», а заметно дешевле.

Сейчас о процессоре Athlon на ядре Thunderbird известно пока не очень много. Он будет использовать не Slot A (как современные версии Athlon от 500 МГц), а матричный разъем Socket A. Cooтветственно и корпус у процессора будет «плоский», а не массивный «вертикальный» картридж. Ожидается, что к лету процессоры на ядре Thunderbird будут выпущены с тактовыми частотами от 700 до 900 МГц, а гигагерц появится чуть позже. Вообще, учитывая темпы снижения цен на новые процессоры, вполне реальным становится приобретение к Новому году этакого компьютера начального ценового диапазона на базе Athlon 750 МГц или около того.

С другой стороны, основным претендентом на компьютеры low-end в линейке AMD остается еще не объявленный процессор на ядре Spitfire. Ему отводится роль младшего конкурента Intel Celeron. Spitfire будет корпусироваться для установки в процессорную розетку Socket A (питание — 1,5 В), а его тактовая частота к началу осени может достигнуть 750 МГц.

Коротко о многогигагерцевых амбициях IBM

Пока весь мир по старинке радуется взятию гигагерца, IBM рассказывает о технологии, позволяющей прибавлять чипам по гигагерцу в год. По крайней мере на 4,5 ГГц при существующих технологиях производства полупроводников вполне можно рассчитывать. Итак, согласно данным IBM, разработанная ею технология IPCMOS (Interlocked Pipelined CMOS) позволит года через три обеспечить массовый выпуск чипов с тактовой частотой 3,3-4,5 ГГц. При этом энергопотребление понизится раза в два относительно параметров современных процессоров. Суть новой процессорной архитектуры состоит в использовании распределенных тактовых импульсов. В зависимости от сложности задачи тот или иной блок процессора будет работать на более высокой или более низкой тактовой частоте. Идея лежала на поверхности: все современные процессоры используют централизованную тактовую частоту — все элементы ядра, все вычислительные блоки синхронизируются с ней. Грубо говоря, пока все операции на одном «витке» не завершатся, к следующей процессор не приступит. В результате «медленные» операции сдерживают быстрые. Кроме того, получается, что если вам требуется выбить пыльный ковер, то вам приходится трясти весь дом. Децентрализованный механизм подачи тактовой частоты в зависимости от потребностей того или иного блока позволяет быстрым блокам микросхемы не ждать отработки медленных операций в других блоках, а заниматься, условно говоря, своим делом. В результате снижается и общее энергопотребление (трясти надо только ковер, а не весь дом). Инженеры IBM совершенно правы, когда говорят о том, что повышать синхронную тактовую частоту из года в год станет все труднее. В этом случае единственный путь — применение децентрализованной подачи тактовой частоты либо и вовсе переход на принципиально новые (квантовые, наверное) технологии создания микросхем.

Думая о журавле, IBM крепко держит в руках синицу — процессор PowerPC. В совсем недалеком будущем компания выпустит гигагерцевый PowerPC, изготовленный по 0,22-микронной шестислойной технологии с медными межсоединениями.

VIA Cyrix III — иногда лучше жевать, чем говорить

Торговали — веселились, подсчитали — прослезились. Приблизительно так можно охарактеризовать ситуацию вокруг выпуска первого процессора VIA на основе технологий приобретенной ею ранее компании Cyrix. Процессор, ранее известный как Joshua на ядре Cayenne, был объявлен в конце февраля на выставке CeBit’2000. Первенца окрестили VIA Cyrix III. Из-за подобного названия так и подмывает отнести его к тому же классу, что и Pentium III. Но это ошибка. Сама VIA позиционирует его как конкурента Intel Celeron — процессора для систем начального уровня. Но и это оказалось излишне самонадеянным поступком.

Однако начнем с достоинств нового процессора. Он рассчитан на установку в процессорную розетку Socket 370 (как и Celeron). Однако, в отличие от Celeron, Cyrix III поддерживает внешнюю тактовую частоту (частоту системной шины) не 66 МГц, а 133 МГц — как у самых современных Pentium III семейства Coppermine. Второе ключевое достоинство Cyrix III — интегрированный на кристалле кэш второго уровня (L2) емкостью 256 Кбайт — как у новых Pentium III. Кэш первого уровня — тоже большой (64 Кбайт).

И, наконец, третье достоинство — поддержка набора SIMD-команд AMD Enhanced 3DNow!. Это действительно первый пример интеграции 3Dnow! для Socket 370-процессоров. Мультимедийные инструкции AMD уже широко поддерживаются производителями программного обеспечения, что хоть отчасти поможет компенсировать скоростное отставание процессора на графических и игровых приложениях.

На этом все хорошее заканчивается. Процессор выпускается по 0,18-микронной технологии с шестью слоями металлизации. На момент выхода самый «быстроходный» Cyriх III имел Pentium-рейтинг 533. Реальная тактовая частота ядра — заметно ниже, поэтому со времен самостоятельной Cyrix свои процессоры она маркировала «рейтингами» по отношению к тактовым частотам процессоров Pentium, Pentium II, а позже — Pentium III. Лучше бы уж вели отсчет от Pentium: цифра была бы повнушительнее.

Руководитель VIA Уэн Чи Чен (в прошлом, кстати, процессорный инженер Intel) изначально собирался противопоставить Celeron низкую цену Cyrix III. Насколько это удалось — судите сами. Cyrix III PR 500 стоит от 84 долл., а Cyrix III PR533 — от 99 долл. Короче, Celeron порой стоит и дешевле. Первые испытания процессора (проведенные, конечно, не в России) показали, что его производительность на офисных приложениях (там, где акцент делается на целочисленные вычисления) мало уступает Celeron, а вот на мультимедийных разрыв очевиден. Конечно, не в пользу Cyrix III. Ну что ж, первый блин комом. Однако в резерве VIA есть еще интегрированный процессор Samuel, построенный на ядре IDT WinChip4. Там результат может оказаться лучше.

Alpha тоже получит заслуженный гигагерц

Компания Compaq (владелец части наследства DEC, включая процессор Alpha) намерена во второй половине года выпустить версию серверного RISC-процессора Alpha 21264 с тактовой частотой 1 ГГц. А следующий ее чип — Alpha 21364 — и вовсе стартует именно с этой пороговой частоты. Кроме того, усовершенствованная версия «Альфы» будет оборудована 1,5-мегабайтным кэшем L2 и контроллером памяти Rambus.

 КомпьютерПресс 4'2000