Реферат: Процессор AMD. История развития

Чтобы проиллюстрировать все вышесказанное приведу графики, показывающие скорость записи в память блоков данных различного размера для процессоров AMD Duron 650:

Процессор AMD Duron удался. Это можно сказать определенно. Его производительность находится на достаточно высоком уровне, чтобы не только обогнать конкурирующий Intel Celeron, но и вообще не оставить ему никаких шансов в штатном режиме. Производительность AMD Duron 650 всего на несколько процентов меньше скорости AMD Athlon 650 и примерно соответствует производительности Intel Pentium III 600EB. Таким образом, выход Duron, если Intel не предпримет никаких действий для улучшения производительности своего low-end процессора, означает смерть Celeron.

AMD Athlon

Если подойти к архитектуре AMD Athlon поверхностно, то основные его параметры можно обрисовать следующим образом:

• Чип, производимый по технологии 0.25 мкм
• Ядро нового поколения с кодовым именем Argon, содержащее 22 млн. транзисторов
• Работает в специальных материнских платах с процессорным разъемом Slot A
• Использует высокопроизводительную системную шину Alpha EV6, лицензированную у DEC
• Кеш первого уровня 128 Кбайт - по 64 Кбайта на код и на данные
• Кеш второго уровня 512 Кбайт. Расположен вне процессорного ядра, но в процессорном картридже. Работает на половинной частоте ядра
• Напряжение питания - 1.6В
• Набор SIMD-инструкций 3DNow!, расширенный дополнительными командами. Всего 45 команд
• Выпускаются версии с частотами 500, 550, 600 и 650 МГц. Версия с частотой 700 МГц появится в ближайшее время

Однако таким простым процессор AMD Athlon кажется только лишь на первый взгляд. На самом же деле за этими несколькими строками скрываются многочисленные архитектурные инновации, которые мы рассмотрим позднее. Однако и простые характеристики AMD Athlon впечатляют. Например, как нетрудно заметить, Athlon превосходит Intel не только по максимальной тактовой частоте (у Intel Pentium III она 600 МГц, да и к тому же при этом он работает на повышенном до 2.05В напряжении ядра), но и по размеру кеша первого уровня, который у Intel Pentium III всего 32 Кбайта.

Перейдем же к более подробному рассмотрению архитектуры AMD Athlon.

Системная шина

Прежде чем углубляться в сам процессор, посмотрим, чем же отличается системная шина EV6, примененная AMD, от привычной интеловской GTL+. Внешнее сходство бывает обманчиво. Хотя процессорный разъем Slot A на системных платах для процессора AMD Athlon выглядит также как и Slot 1, перевернутый на 180 градусов, шинные протоколы и назначения контактов у Intel Pentium III и AMD Athlon совершенно различны. Более того, различно даже число задействованных сигналов - Athlon использует примерно половину из 242 контактов, в то время как Pentium III всего четверть. Внешняя похожесть вызвана тем, что AMD просто хотела облегчить жизнь производителям системных плат, которым не придется покупать особенные разъемы для установки на Slot A системные платы. Только и всего.

На самом же деле, хоть EV6 и работает на частоте 100 МГц, передача данных по ней, в отличие от GTL+ ведется на обоих фронтах сигнала, потому фактическая частота передачи данных составляет 200 МГц. Если учесть тот факт, что ширина шины EV6 - 72 бита, 8 из которых используется под ECC (контрольную сумму), то получаем скорость передачи данных 64бита х 200 МГц = 1,6 Гбайт/с. Напомню, что пропускная способность GTL+, работающей на 100 МГц в два раза меньше - 800 Мбайт/с. Повышение частоты GTL+ до 133 МГц дает увеличение пропускной способности при этом только до 1,06 Гбайт/с. Казалось бы, как в случае с GTL+, так и с EV6 получаются внушительные значения пропускной способности. Однако, только современная PC100 память может отожрать от нее до 800 Мбайт/с, а AGP, работающий в режиме 2x - до 528 Мбайт/с. Не говоря уже о PCI и всякой другой мелочевке. Получается, что GTL+ уже сейчас может не справляться с передаваемыми объемами данных. У EV6 же в этом случае все в порядке, потому эта шина более перспективна.

При этом, как частота GTL+ может быть увеличена со 100 до 133 МГц, планируется, что и частота EV6 также впоследствии достигнет значения 133 (266), а затем и 200 (400) МГц. Однако планы эти могут и не осуществиться - реализовать работу на материнской плате EV6, требующую большего количества контактных дорожек, несколько сложнее, особенно на больших частотах. Хотя если у AMD все получится, пропускная способность системной шины может достичь 2.1 и 3.2 Гбайта/с соответственно, что позволит беспрепятственно применять в Athlon-системах, например, высокопроизводительную 266-мегагерцовую DDR SDRAM.

Кеш

Прежде чем переходить непосредственно к функционированию AMD Athlon, хочется затронуть тему L1 и L2 кешей.

Что касается кеша L1 в AMD Athlon, то его размер 128 Кбайт превосходит размер L1 кеша в Intel Pentium III аж в 4 раза, не только подкрепляя высокую производительность Athlon, но и обеспечивая его эффективную работу на высоких частотах. В частности, одна из проблем используемой Intel архитектуры Katmai, которая, похоже, уже не позволяет наращивать быстродействие простым увеличением тактовой частоты, как раз заключается в малом объеме L1 кеша, который начинает захлебываться при частотах, приближающихся к гигагерцу. AMD Athlon лишен этого недостатка.

Что же касается кеша L2, то и тут AMD оказалось на высоте. Во-первых, интегрированный в ядро tag для L2-кеша поддерживает его размеры от 512 Кбайт до 16 Мбайт. Pentium III, как известно, имеет внешнюю Tag-RAM, подерживающую только 512-килобайтный кеш второго уровня. К тому же, Athlon может использовать различные делители для скорости L2-кеша: 1:1, 1:2, 2:3 и 1:3. Такое разнообразие делителей позволяет AMD не зависеть от поставщиков SRAM определенной скорости, особенно при выпуске более быстрых моделей.

Благодаря возможности варьировать размеры и скорости кеша второго уровня AMD собирается выпускать четыре семейства процессоров Athlon, ориентированных на разные рынки.

Архитектура. Общие положения

Вот мы и подошли к рассказу о том, как же, собственно, работает Athlon. Как и процессоры от Intel с ядром, унаследованным от Pentium Pro, процессоры Athlon имеют внутреннюю RISC-архитектуру. Это означает, что все CISC-команды, обрабатываемые процессором, сначала раскладываются на простые RISC-операции, а потом только начинают обрабатываться в вычислительных устройствах CPU. Казалось бы, зачем усложнять себе жизнь? Оказывается, есть зачем. Сравнительно простые RISC-инструкции могут выполняться процессором по несколько штук одновременно и намного облегчают предсказание переходов, тем самым позволяя наращивать производительность за счет большего параллелизма. Говоря более просто, тот производитель, который сделает более "параллельный" процессор, имеет шанс добиться превосходства в производительности гораздо меньшими усилиями. AMD при проектировании Athlon, по-видимому, руководствовалась и этим принципом.

Однако перед тем, как начать работу над параллельными потоками инструкций, процессор должен их откуда-то получить. Для этого в AMD Athlon, как впрочем и в Intel Pentium III, применяется дешифратор команд (декодер), который преобразует поступающий на вход процессора код. Дешифратор в AMD Athlon может раскладывать на RISC-составляющие до трех входящих CISC-команд одновременно. Современные интеловские процессоры могут также обрабатывать до трех команд, однако если для Athlon совершенно все равно, какие команды он расщепляет, Pentium III хочет, чтобы две из трех инструкций были простыми и только одна - сложной. Это приводит к тому, что если Athlon за каждый процессорный такт может переварить три инструкции независимо ни от чего, то у Pentium III отдельные части дешифратора могут простаивать из-за неоптимизированного кода.

Перед тем, как попасть в соответствующий вычислительный блок, поступающий поток RISC-команд задерживается в небольшом буфере (Instruction Control Unit), который, что уже неудивительно, у AMD Athlon расчитан на 72 инструкции против 20 у Pentium III. Увеличивая этот буфер, AMD попыталась добиться того, чтобы дешифратор команд не простаивал из-за переполнения Instruction Control Unit.

Еще один момент, заслуживающий внимания - вчетверо большая, чем у Pentium III, таблица предсказания переходов размером 2048 ячеек, в которой сохраняются предыдущие результаты выполнения логических операций. На основании этих данных процессор прогнозирует их результаты при их повторном выполнении. Благодаря этой технике AMD Athlon правильно предсказывает результаты ветвлений где-то в 95% случаев, что очень даже неплохо, если учесть, что аналогичная характеристика у Intel Pentium III всего 90%.

Посмотрим теперь, что же происходит в Athlon, когда дело доходит непосредственно до вычислений.

Целочисленные операции

С целочисленными операциями у процессоров от AMD всегда все было в порядке. Со времен AMD K6 процессоры от Intel проигрывали именно в скорости целочисленных вычислений. Тем не менее, в Athlon AMD напрочь отказалась от старого наследия.

Благодаря наличию трех конвейерных блоков исполнения целочисленных команд (Integer Execution Unit) AMD Athlon может выполнять три целочисленные инструкции одновременно. Что же касается Pentium III, то его возможности ограничиваются одновременным выполнением только двух команд.

Отдельно хочется затронуть вопрос конвейеров. Оптимальной глубиной конвейера для процессоров с современными скоростями считается 9 стадий. Увеличение этого числа приводит к ускорению процесса обработки команд, так как скорость работы конвейера определяется работой самой медленной его стадии. Однако, в случае слишком большого конвейера при ошибках в предсказании переходов оказывается что большая часть работы по исполнению команд, уже вошедших на конвейер выполнена напрасно. Его приходится очищать и начинать процесс заново.

Потому в AMD Athlon глубина целочисленных конвейеров составляет 10 стадий, что близко к оптимуму. К сожалению, поклонники продукции Intel снова не услышат ничего утешительного, так как конвейер в Pentium III состоит из 12-17 стадий в зависимости от типа исполняемой инструкции.

Вещественные операции

С замиранием сердца обращаем наш взгляд на блок FPU, встроенный в Athlon. Как мы все хорошо помним, для предыдущих процессоров AMD операции с плавающей точкой были настоящей ахиллесовой пятой. Главной проблемой было то, что блок FPU в K6, K6-2 и K6-III был неконвейеризированый. Это приводило к тому, что хотя многие операции с плавающей точкой в FPU от AMD выполнялись за меньшее число тактов, чем на интеловских процессорах, общая производительность была катастрофически низкой, так как следующая вещественная операция не могла начать выполняться до завершения предыдущей. А что-то менять в своем FPU AMD в то время не хотела, призывая разработчиков к отказу от его использования в пользу 3DNow!.

Но, похоже, прошлый опыт научил AMD. В Athlon арифметический сопроцессор имеет конвейер глубиной 15 стадий против 25 у Pentium III. Не следует забывать, что, как уже говорилось выше, более длинный конвейер не всегда обеспечивает лучшую производительность. К тому же, существенным недостатком Intel Pentium III, которого в Athlon, естественно нет, является неконвейерезируемость операций FMUL и FDIV.

FPU в Athlon объединяет в себе три блока: один для выполнения простых операций типа сложения, второй - для сложных операций типа умножения и третий - для операций с данными. Благодаря такому разделению работы Athlon может выполнять одновременно по две вещественночисленные инструкциии. А ведь такого не умеет даже Intel Pentium III - он выполняет инструкции только последовательно!

Так что, как это ни странно, FPU интеловских процессоров оказался не таким уж замечательным, как это принято было считать ранее.

MMX

На первый взгляд с выполнением MMX-операций у Athlon по сравнению с K6-III изменений не произошло. Однако это не совсем так. Хотя и MMX-инструкции используются в крайне небольшом числе приложений, AMD добавила в этот набор еще несколько инструкций, которые также появились в MMX-блоке процессора Pentium III. В их число вошли нахождение среднего, максимума и минимума и изощренные пересылки данных.

Если обратить внимание на архитектурные особенности, то в AMD Athlon имеется по два блока MMX, потому на обоих процессорах - и на Athlon, и на Pentium III - может выполняться одновременно пара MMX-инструкций. Однако, MMX-блоки в AMD Athlon имеют большую, чем у Pentium III латентность, что теоретически должно приводить к отставанию этого CPU в MMX-приложениях.

3DNow!

Блока 3DNow! в AMD Athlon коснулись сильные изменения. Хотя его архитектура и осталась неизменной - два конвейера обрабатывают инструкции, работающие с 64-битными регистрами, в которых лежат пары вещественных чисел одинарной точности, в сам набор команд было добавлено 24 новинки. Новые операции должны не только позволить увеличить скорость обработки данных, но и позволить задействовать технологию 3DNow! в таких областях, как распознавание звука и видео, а также интернет :) Кроме этого, по аналогии с SSE были добавлены и инструкции для работы с данными, находящимися в кеше. Поддержка обновленного набора 3DNow! уже встроена в Windows 98 SE и в DirectX 6.2.

Таким образом, в набор 3DNow! входит теперь 45 команд, против 71 инструкции в SSE от Intel. Причем, судя по всему, использование новых команд должно дать еще больший эффект от 3DNow! В доказательство этого факта AMD распространила дополнительный DLL для известного теста 3DMark 99 MAX, задействующий новые возможности процессора.

Специально для оценки эффективности процессора в 3D-играх, 3DMark 99 MAX предлагает индекс CPU 3DМark, просчитывающий 3D-сцены, но не выводящий их не экран. Таким образом, получается результат, зависящий только от возможностей процессора по обработке 3D-графики и от пропускной способности основной памяти.

Чипсеты

Прекратив разрабатывать процессоры под гнездо Super 7 и начав продвигать собственный Slot A и системную шину EV6, AMD оказалась отрезана от всех интеловских наработок на поприще чипсетов и системных плат. Теперь AMD придется самой создавать необходимую инфраструктуру, чтобы мы могли приобрести не только процессор, но и системную плату, оборудованную Slot A.

И, судя по первым успехам, ей это удалось. На первое время компания разработала собственный набор логики AMD 750, имеющий кодовое имя Irongate, а также собственный дизайн системной платы - Fester, который был растиражирован рядом тайваньских производителей.

Сам чипсет AMD 750 не представляет собой ничего особенного - по возможностям он аналогичен i440BX. Но большего, в принципе, и не надо. AMD Athlon, как мы видели, и так работает нормально и даже обгоняет по производительности конкурирующие продукты.

AMD 750 имеет традиционую архитектуру и состоит из северного моста AMD 751 и южного AMD 756. Северный мост обеспечивает взаимодействие посредством шины EV6 процессора с памятью и шинами PCI и AGP, поддерживая до 768 Мбайт оперативной памяти PC100 в не более чем трех модулях, AGP 2x и 6 PCI bus maser устройств. Южный мост, осуществляющий интерфейс со всей периферией, кроме обычных функций, умеет работать с UltraDMA/66 IDE-устройствами.

AMD Athlon (Thunderbird) 800

Итак, взвесив все плюсы и минусы L2-кеша на ядре, AMD, пришла к выводу о необходимости переноса кеша на ядро. Тем более, что оба завода AMD, находящиеся в Дрездене и Остине вполне успешно освоили технологию 0.18 мкм, по которой, кстати, некоторое время уже выпускались старшие модели обычных AMD Athlon. Так появился новый старый AMD Athlon с кодовым именем Thunderbird, архитектурно отличающийся от старого Athlon наличием интегрированной кеш-памяти второго уровня размером 256 Кбайт вместо внешнего 512-килобайтного L2-кеша. Посмотрим на его спецификацию:

• Чип, производимый по технологии 0.18 мкм с использованием алюминиевых или медных соединений
• Ядро Thunderbird, основанное на архитектуре Athlon. Содержит 37 млн. транзисторов и имеет площадь 120 кв.мм
• Работает в специальных материнских платах с 462-контактным процессорным разъемом Socket A (Slot A версии доступны в ограниченных количествах только OEM)
• Использует высокопроизводительную 100 МГц DDR системную шину EV6
• Кеш первого уровня 128 Кбайт - по 64 Кбайта на код и на данные
• Интегрированный кеш второго уровня 256 Кбайт. Работает на полной частоте ядра
• Напряжение питания при частоте до 850МГц - 1.7В, при больших частотах - 1.75В
• Набор SIMD-инструкций 3DNow!
• Выпускаются версии с частотами 750, 800, 850, 900, 950 и 1000 МГц

Итак, с точки зрения архитектуры, Thunderbird ничем не отличается от обычного Athlon, кроме встроенного в ядро 256-Кбайтного кеша второго уровня. Несмотря на сокращение размера кеша вдвое по сравнению с обычным Athlon, быстродействие от этого упасть не должно - ведь новый кеш работает гораздо быстрее старого - на полной частоте ядра процессора. Да и к тому же благодаря более близкому его расположению к ядру латентность кеша у Thunderbird на 45% меньше, чем аналогичная характеристика у кеша старого Athlon. В остальном же, архитектурно и старые и новые Athlon ничем не отличаются, поэтому подробности о строении ядра этих CPU можно почерпнуть из обзора AMD Athlon 600. При этом, все же необходимо иметь в виду, что все же Thunderbird имеют обновленное и технологически усовершенствованное ядро, выпускаемое по технологии 0.18 мкм. В результате, например, даже получается, что ядро Thunderbird со встроенным L2-кешем по площади ненамного больше, чем ядро K75 (0.18 мкм Athlon) и даже значительно меньше, чем старое ядро K7, выполненное по технологии 0.25 мкм.

Вторым и не менее важным отличием старых и новых Athlon является то, что поскольку необходимость в процессорной плате отпала, они используют новый процессорный разъем типа socket, а не slot - Socket A. Хотя, конечно, некоторое время Slot A Thunderbird на рынке присутствовать будут, основным форм-фактором для этих CPU следует считать 462-контактный Socket A.

AMD выпускает Thunderbird на двух заводах - в Остине и в Дрездене, по двум различным технологиям - с использованием алюминиевых соединений и медных соединений. Тем не менее, обе эти модификации, похоже, между собой ни чем не отличаются, кроме … цвета. Дрезденские Thunderbird имеют синий цвет кристалла, в то время как Остинские - зеленый.

Что же касается видимых отличий старых и новых Athlon производимых в Slot A варианте, то тут найти отличие будет не так просто, так как оба они имеют одинаковый внешний вид картриджа и что более забавно, одинаковую цену. Однако отличить их все-таки возможно как по маркировке (старые Athlon маркируются как AMD-K7XXX, в то время как новые имеют маркировку AMD-AXXXX) так и заглянув внутрь картриджа со стороны процессорного разъема - у новых Athlon отсутствуют микросхемы SRAM, расположенные по обе стороны от ядра, в то время как у старых Athlon они есть.

До сих пор мы восхищались новыми Thunderbird и их интегрированным L2-кешем. Теперь пришло время немного огорчить фанатов AMD. Тем более, что сделать это будет нетрудно, если сравнить кеш Thunderbird и Coppermine.

Единственным преимуществом L2-кеша Thunderbird с этой точки зрения может являться его эксклюзивность. То есть, алгоритм работы L2 кеша у Thunderbird таков, что данные, хранящиеся в L1-кеше, в L2-кеше не дублируются. Это значит, что суммарный объем эффективной кеш-памяти новых Athlon равен 128+256 = 384Кбайта. В случае же с Coppermine 32Кбайта L2-кеша всегда занято копией содержимого кеш-памяти первого уровня и эффективный объем кешей у этого CPU составляет всего 256Кбайт.

Что же касается недостатков, то просто напросто кеш Thunderbird медленнее чем кеш Coppermine. Причины этого кроются как в меньшей латентности кеша Intel Pentium III так и в том, что инженеры AMD поленились переделать шину соединяющую ядро и L2 кеш, после того как перенесли последний внутрь процессорного ядра. В результате, она так и осталась 64-битной, в то время как шина кеша Coppermine в четыре раза шире.

AMD Athlon XP 1800+ (1533 MHz)

Вот мы и дождались. Дождались процессора, который нам обещали довольно длительное время. А именно - десктопного варианта процессора AMD Athlon, построенного на новом ядре Palomino.

На самом деле, само ядро присутствовало на рынке уже достаточно давно, но политика компании AMD по выпуску процессоров на его основе выглядела несколько оригинальной. Привычной уже стала схема, при которой на новом ядре выпускается сначала высокоуровневый процессор, спустя какое-то время выходит его несколько урезанный тем или иным образом бюджетный вариант, а затем появляется мобильный. Все логично и понятно, сначала снимается максимально возможное количество сливок с high-end сегмента рынка, а затем новинка продвигается в массы.

В случае же с Palomino все произошло несколько иначе, если не сказать "с точностью до наоборот". AMD начала, что называется, с конца цепочки. Сначала увидел свет мобильный вариант Palomino - Athlon 4, затем AMD Athlon MP, рассчитанный на работу в двухпроцессорных системах. Ладно, пока что ситуация забавная, но не экстраординарная. А вот затем AMD делает очень оригинальный шаг - вопреки всем ожиданиям, на рынок выходит не десктопный Palomino, а AMD Duron, основанный на ядре Morgan. Т.е., low-end процессор! Причем выходит без особой помпы, тихо и незаметно. Изначально вообще было не ясно, а Palomino ли это? Как оказалось - таки да, Palomino, только называется Morgan и кэш у него поменьше.

И лишь после этого на сцене появляется настольный Palomino, переименованный к этому времени в Athlon XP (реверанс в сторону Microsoft?), получивший вместо привычной керамической одежки пластиковую (OPGA, Organic Pin Grid Array) и… реанимированный Pentium Rating.

Если упаковка нового процессора в пластиковый конструктив шаг вполне логичный и обоснованный (керамический корпус гораздо дороже), то возвращение PR, пусть и несколько изменившегося - достаточно спорное решение.

Документ первый: QuantiSpeed™ Architecture

Итак, что же представляет из себя "новая архитектура" процессоров Athlon XP?

Nine-issue, superscalar, fully pipelined micro-architecture

Основной упор в описании своего ядра AMD делает на то, что количество ступеней конвейера у него меньше, чем у Pentium 4 (что и обуславливает меньшую частоту работы ядра при одинаковом техпроцессе), но зато количество одновременно исполняемых (за один такт) инструкций - больше.

Superscalar, fully pipelined Floating Point Unit (FPU)

Еще один плюс своих процессоров, который AMD решила показать в описании QuantiSpeed Architecture - это их знаменитый FPU. Он действительно мощный - три независимых конвейера для исполнения стандартных FPU-инструкций всего семейства x86, плюс инструкции из фирменного набора AMD 3DNow!, плюс (начиная с ядра Palomino) полная поддержка всего набора Intel SSE (к сожалению, пока еще только "первого" SSE). Фактически, ни для кого не секрет, что это похоже действительно самый мощный x86 FPU - даже у Pentium 4 он слабее. Однако… опять "плюс на минус" - все это правда, но все это было еще даже в ядре K7 (за исключением поддержки SSE).

Hardware data prefetch

В Athlon XP используется механизм предварительной (опережающей) загрузки инструкций в L1 cache. Примечательно следующее: во-первых - именно инструкций т.е. только исполняемого кода, а не данных. Во-вторых - именно в кэш первого уровня т.е. - минуя L2. В принципе, учитывая размер L1 у Athlon XP (128 KB)

Exclusive and speculative Translation Look-aside Buffers (TLBs)

TLB имеют практически все "сложные" современные процессоры. Фактически, это еще один подвид кэша, только кэшируются в нем не сами команды и данные, а их адреса. В Thunderbird двухуровневый TLB имел емкость 24/32 (24 адреса инструкций и 32 данных) и 256/256. Основное нововведение Palomino - расширенный L1 TLB, который теперь может хранить 40 адресов данных. Кстати, заметим - если Hardware Prefetch оптимизирует загрузку команд, то при усовершенствовании TLB AMD большее внимание уделила именно данным. Кроме того, "эксклюзивность" кэша (фирменная "фича" AMD, когда кэш второго уровня не дублирует в себе содержимое кэша первого уровня) теперь распространяется и на TLB. В общем, нам трудно будет судить насколько велик вклад нового Translation Look-aside Buffer в общую производительность Athlon XP т.к. нет возможности вычленить именно его вклад, но плюс мы все же поставим - это нечто действительно новое.

Processor and Model Number Core Operating Frequency

На каких частотах работает вся линейка Athlon XP.

Информационные источники:

1. http://www.amd.ru

2. http://www.ixbt.com.video.shtml