x86-процессоры / Процессоры и память

В итоге разработчиков x86-процессоров волнует совсем не производительность, по которой проектируемые ими продукты легко переплёвывают любые ARM, а энергопотребление и тепловыделение. Существовавшие до недавнего времени x86-процессоры попросту невозможно было представить в основе мобильных устройств — и именно на исправлении этого недостатка сейчас сосредоточилась и AMD, и Intel. Впрочем, о снижении энергетических аппетитов своих продуктов эти компании думают уже достаточно давно: и год, и два тому назад мы неоднократно говорили о том, что основной фокус в разработке x86-процессоров сместился с чистой производительности. Сначала на оптимизацию удельного быстродействия в пересчёте на каждый ватт затраченной энергии, а потом и просто на одно только энергопотребление да тепловыделение. Именно поэтому последние поколения x86-процессоров не сильно быстрее своих предшественников, и к этому мы уже начали привыкать. Однако теперь «мобильный» акцент стал ещё серьёзнее, и мы уже сталкиваемся не с простой энергоэффективной оптимизацией старых архитектур, а с их полной переделкой. Прошлый год не оставил никаких сомнений: высокоэкономичные x86-архитектуры — это отдельное и полноправное направление дальнейшего развития, которое, похоже, в течение ближайших лет может стать не просто значимым, но основным направлением разработок.

Поклонникам же классических вычислительных систем остаётся лишь надеяться на то, что о них полностью не забудут, особенно с учетом того, что тревожные звоночки уже есть. Так, будущие версии планов основных производителей x86-процессоров демонстрируют явное замедление темпов инноваций в части «больших ядер» и активизацию на фронте компактных систем-на-чипе, нацеленных совсем не на настольные или мобильные персональные компьютеры. Впрочем, в 2013 году развитие шло одновременно по разным направлениям, поэтому наш взгляд на этот период может быть интересен в том числе и приверженцам классических серверов, десктопов и ноутбуков.

В этом материале мы предлагаем вспомнить самые важные анонсы, произошедшие на процессорном рынке в 2013 году. В данной итоговой статье мы не ставим перед собой цель повторить всё, что происходило на рынке процессоров. Мы лишь напомним те ключевые анонсы, которые способны повлиять на всё, что будет происходить в этой отрасли в дальнейшем. К сожалению, производители процессоров в последнее время не балуют нас фонтаном новинок. AMD и Intel, каждая по своему, занимаются корректировкой своих приоритетов, а потому находятся в подвешенном состоянии, прощупывая почву для дальнейших манёвров. Это неминуемо сказывается на их внешней активности. Но, к счастью, прогресс пока не остановился, и нам определённо есть о чём рассказать. Заслуживающих внимания эпохальных анонсов в прошлом году было целых четыре.

⇡#Intel Haswell

Пожалуй, лучшее, что случилось на рынке x86-процессоров в прошлом году, — появление новой микроархитектуры Haswell. Этот процессорный дизайн смог встряхнуть постепенно увядающий рынок во всех его секторах благодаря тому, что он представляет собой следующее (четвёртое по счёту) поколение микроархитектуры Core, которая изначально была нацелена именно на производительные персональные компьютеры. За время своей эволюции она явно не ухудшилась, а, напротив, приобрела многие положительные черты, и сегодняшняя микроархитектура Haswell представляет собой достаточно прогрессивную разработку, которую удаётся успешно применять как в производительных, так и в экономичных системах.

В современной интеловской инженерной стратегии поколение Haswell относится к циклу, в течение которого в микроархитектуру вносятся глубинные изменения, а производственная технология остаётся неизменной. Поэтому Haswell, как и его предшественник, Ivy Bridge, базируется на 22-нм техпроцессе, но привносит при этом большое количество внутренних изменений. Не все из них обеспечивают рост вычислительной производительности. И на одинаковых тактовых частотах Haswell предлагает всего лишь 5-15-процентное преимущество по сравнению с Ivy Bridge, тем не менее сделанные улучшения незначительными назвать нельзя. Так, в новой микроархитектуре добавились дополнительные исполнительные устройства, позволяющие процессору как обрабатывать больше целочисленных инструкций за такт, так и обеспечивать поддержку нового набора 256-битных команд AVX2, включающего в том числе FMA-инструкции для выполнения «одним махом» пар векторных операций. Параллельно с этим была увеличена пропускная способность кеш-памяти первого и второго уровня. Поэтому Haswell представляет собой явно более прогрессивный дизайн, нежели Ivy Bridge, даже с точки зрения внутреннего устройства вычислительных ядер.

Хотя, конечно, если смотреть на новую микроархитектуру с точки зрения ультрабуков и набирающих популярность устройств класса «два в одном», она выглядит куда более интригующей. Значительное число нововведений касается энергосбережения. Несмотря на то, что технология полупроводникового производства по сравнению с Ivy Bridge не изменилась, Haswell может обеспечить примерно на 50 процентов более продолжительную работу компьютера от батареи и в 20 раз большее время ожидания. Обеспечивается это как внедрением новых энергосберегающих режимов, так и кардинальным пересмотром всей схемы питания процессора, которая теперь перекочевала собственно на процессорный кристалл. В дополнение к этому Intel освоила выпуск SoC-сборок, в которых процессор с чипсетом представляют собой единый модуль, включающий сразу два полупроводниковых кристалла — оба смонтированы на едином процессорном куске текстолита.

Все эти меры дали Intel возможность наладить среди прочего и производство экстремально экономичных моделей Haswell, располагающих двумя вычислительными ядрами и средним (сценарным) энергопотреблением на уровне 6 или даже 4,5 Вт. И это мы говорим о полноценных процессорах семейства Core! Кажется, что ещё совсем немного — и процессоры Core смогут попасть не только в крупные планшеты (где они уже постепенно обосновываются), но и в устройства более портативных категорий.

Одновременно со снижением энергопотребления Intel борется и за рост скорости встроенного графического ядра, которое должно позволить производителям мобильных компьютеров отказаться от добавления дискретной графической карты везде, за исключением разве только высокопроизводительных игровых ноутбуков. Правда, здесь в Haswell нет никаких принципиально новых технологий, но путём доводки имеющейся архитектуры и увеличения числа исполнительных устройств скорость графического ядра новых процессоров по сравнению с Ivy Bridge удалось поднять примерно вдвое. При этом в ассортименте появилось совсем экзотичное, но соблазнительное решение, располагающее дополнительным кешем четвёртого уровня на базе быстрой eDRAM-памяти. Такой кеш оказывается полезным для хранения текстурной графической информации, в результате чего максимальные версии встроенного в Haswell графического ядра умудряются выступать не хуже дискретной видеокарты NVIDIA GeForce GT 650M. Правда, такие процессоры оказываются не слишком экономичными, так что пространства для совершенствования у интеловских разработчиков остаётся предостаточно.

К сожалению, большинство нововведений в Haswell малополезно в сфере игровых и рабочих высокопроизводительных настольных компьютеров. Поэтому многие энтузиасты встретили выход нового поколения интеловских CPU, что называется, в штыки. К тому же перенос преобразователя питания внутрь полупроводникового кристалла одновременно с применением при сборке процессоров не самого эффективного термоинтерфейсного материала привёл к тому, что модели Haswell для десктопов получили репутацию горячих и недостаточно разгоняемых. Справедливости ради следует напомнить о том, что существуют методы борьбы с этими недостатками, позволяющие сделать Haswell хорошо подходящими для использования в оверклокерских системах, но они связаны с физической разборкой процессора и потому не слишком популярны.

И тем не менее Haswell — это лучший, по нашему мнению, x86-процессор, присутствующий на рынке на сегодняшний день. Пусть четвёртое поколение микроархитектуры Core и не даёт существенных преимуществ в вычислительной производительности, энергоэффективность Haswell — вполне достаточный аргумент в пользу его прогрессивности. Ноутбуки, построенные на базе процессоров с этим дизайном, получают непревзойдённо продолжительное время работы от аккумулятора, да и десктопы на их основе могут серьёзно сэкономить электроэнергию. И самое главное: конкурент Intel, компания AMD, не может ничего противопоставить Haswell, за исключением разве только высокой производительности встроенного графического ядра (максимальная и действительно быстрая версия интеловской графики Iris Pro попадает лишь в очень дорогие процессоры). Однако производительная интегрированная графика — это не то качество, из-за которого пользователи могут захотеть предпочесть медленный процессор.

⇡#Intel Silvermont

Если лучший x86-процессор, появившийся в 2013 году, это Haswell, то главным (в смысле значительности) интеловским анонсом, видимо, следует считать процессорный дизайн Silvermont, платформу Bay Trail и её производные. В конце концов, экспансия в мобильные устройства и устройства новых форм-факторов — это главная цель микропроцессорного гиганта на ближайшее будущее. Об этом недвусмысленно говорят планы: в то время как темпы разработки «больших ядер» постепенно снижаются, низковаттные процессоры класса Atom, напротив, начинают выходить всё чаще и чаще. И в прошлом году Intel сказала открыто, что отныне принципы проектирования «тик-так» будут применяться и в отношении Atom. Silvermont же — стартовая точка в этой эстафете. После пятилетнего царствования в мире Atom почти одной и той же откровенно слабой микроархитектуры, с 2013 года начинается совершенно новый этап в его развитии. Свежие Atom — это уже не те процессоры что раньше. Они и значительно более производительны (речь идёт о преимуществе в два — два с половиной раза) при существенно возросшей энергоэффективности.

По итогам прошедшего года пока трудно сказать о том, насколько успешной оказалась микроархитектура Silvermont. Фактически она только начинает свой жизненный путь, и на её основе пока выпущены исключительно процессоры для планшетов и более крупных устройств. Смартфонные же её модификации ждут нас в течение наступившего года. Но о чём можно уже судить наверняка, так это о том, что основанная на микроархитектуре Silvermont платформа Bay Trail заходит на рынок по очень интересному пути, который вполне может оказаться хорошей дорогой к симпатиям потребителей. Дело в том, что благодаря Bay Trail Intel старается стереть грани между разными классами мобильных устройств. Эти процессоры универсальны: сочетание их цены, производительности и энергопотребления даёт им возможность применения в широком спектре различных устройств: от лёгких планшетов до недорогих десктопов, а с программной стороны на них может работать как операционная система Windows, так и Android. В результате Bay Trial может стать отличной базой для перспективных гибридных устройств типа «два в одном» или даже «всё в одном ».

И это — далеко не единственная причина, по которой микроархитектура Silvermont интересна настолько, что мы относим её к числу главных анонсов на процессорном рынке. Если раньше процессоры семейства Atom базировались на искусственно замедленной микроархитектуре с последовательным исполнением команд и производились по отсталым технологическим процессам, то Silvermont всё это меняет. Для выпуска процессоров с этим дизайном используется самый современный из имеющихся в распоряжении Intel техпроцесс с 22-нм нормами, а их архитектура получила врождённую многоядерность и внеочередное исполнение инструкций.

Помимо этого, в Silvermont были перенесены многие технологии, имеющиеся в мире «больших ядер»: эффективное предсказание переходов, большие объёмы кеш-памяти, использование декодированных макроопераций, разделяемый кеш второго уровня и прочие. Кроме того, к современному состоянию приведена и система команд. Благодаря Silvermont процессоры Atom стали 64-битными и получили поддержку инструкций SSE4.2 и AES. Более того, в новом дизайне Atom нашла место даже реализация виртуализации VT-x. Попутно произошло и внедрение нового графического ядра. Вместо графики PowerVR, которая вызывала немало нареканий, в Silvermont встроено собственное интеловское ядро седьмого поколения — то есть архитектурно аналогичное графике Haswell, но располагающее лишь четырьмя исполнительными устройствами. Благодаря этому в новых Atom появилась в полном объёме поддержка аппаратного ускорения воспроизведения HD-видео.

Перенесена в Silvermont из Haswell и львиная доля энергосберегающих технологий. Частоты всех ядер динамически меняются в зависимости от нагрузки, доступны разнообразные состояния сна и глубокого сна с независимым отключением ядер и кеш-памяти. В результате тепловые пакеты десктопных и мобильных четырёхъядерных систем-на-чипе Bay Trial, построенных на микроархитектуре Silvermont, вписываются в 10 и 7,5 Вт соответственно, а подобные процессоры для планшетных компьютеров обладают средним сценарным тепловыделением порядка 2 Вт.

Совершенно очевидно, что благодаря Silvermont компания Intel надеется немного потеснить ARM на рынке мобильных устройств. Однако удастся ли эта попытка — сегодня сказать достаточно тяжело, так как главная ударная сила — воплощение Silvermont в виде платформы для коммуникаторов Merrifield — пока ещё не вышла. Однако в том, что разнообразные варианты Bay Trail не будут страдать от недостатка внимания, нет никаких сомнений. Недорогие Windows- и Android-планшеты, дешёвые десктопы и ноутбуки, а также демонстрирующие неплохой рост продаж хромобуки и гибридные устройства станут отличным полем, где процессоры Bay Trail будут более чем востребованными. Инвесторы Intel в этой связи высказывают даже некоторую обеспокоенность, как бы стремительно прогрессирующие Atom не подорвали продажи процессоров Core.

В начавшемся году Intel намеревается учетверить объёмы поставок процессоров класса Atom, и Silvermont служит отправной точкой для запланированного мощного толчка. В наступившем году нас ждут анонсы новых низковаттных микроархитектур Intel, однако все они будут представлять собой улучшенные варианты Silvermont. Именно поэтому разработка и внедрение Bay Trail имела для Intel такое большое значение. Фактически речь шла о заделе на будущее, который должен обеспечить безоблачное существование компании в эпоху пост-ПК.

⇡#Intel Quark

И третий интеловский анонс 2013 года, который по праву можно назвать самым неожиданным и самым загадочным — это процессор Intel Quark, который внезапно был показан на осенней сессии конференции Intel для разработчиков. Интригует в Quark всё: и принципиально новая микроархитектура, и неожиданная область применения, и сам факт появления столь оригинальной разработки. Чувствуя, что рынок мобильных устройств она прозевала и теперь за это серьёзно расплачивается, Intel сейчас действует гораздо осмотрительнее и пытается улавливать новые веяния сильно загодя, чтобы иметь шанс их встретить во всеоружии. Именно эту задачу и решает Quark. Этот процессор компания разработала с прицелом на зарождающийся «интернет вещей» и на носимые устройства, которые уже начинают своё робкое появление на публике. Иными словами, ожидая взрывного роста в этих областях и наученная горьким опытом, компания заранее подготовила x86-альтернативу для микроконтроллеров и ARM-процессоров семейства Cortex-M.

Кратко Quark можно охарактеризовать как Atom в мире Atom. Это — ещё более маленькая и ещё более экономичная система-на-чипе, которая должна прижиться там, где сегодня принято обходиться вообще без каких-либо процессоров. Конечно, её производительность по меркам больших ядер совсем невелика, тем не менее Quark всё равно остаётся вполне полноценным 32-битным процессором с x86-системой команд. Конкретнее, производясь по 32-нм технологии, Quark обладает примерно в пять раз меньшим, чем современные Atom, кристаллом, а его энергопотребление уступает потреблению Atom почти на порядок.

Первая выпущенная модификация процессора Quark имеет одноядерный дизайн и работает на частоте всего 400 МГц. Объём кеш-памяти этого процессора составляет 16 Кбайт, а тепловой пакет ограничен величиной 2,2 Вт. Процессор способен адресовать до 2 Гбайт памяти DDR3-800 и снабжён встроенными контроллерами всех необходимых интерфейсов: PCI Express, USB, LAN. Впрочем, Quark в таком виде — это пока пробный продукт, роль которого — застолбить место на рынке. Поэтому одновременно с самим процессором Intel предложила и плату для разработчиков на его основе. Более же поздние варианты Quark будут представлять собой совсем иные чипы, и тут Intel хочет положиться на мнение своих потенциальных клиентов.

В Quark неожиданно ещё и то, что с этим процессором Intel хочет изменить свою традиционную схему конструирования и распространения продуктов, при которой компания предлагает заказчикам готовые чипы. Этот процессор может быть легко видоизменён или дополнен какими-то специальными блоками по желанию любого заказчика. К имеющемуся ядру можно добавить специфичные функции ввода-вывода, графику, интерфейсы систем хранения данных, Wi-Fi/3G-радио или что-то иное. Более того, с Quark Intel даже потенциально готова изменить производственной схеме, при которой она контролирует весь процесс выпуска процессоров. Не исключено, что Quark станет лицензируемой архитектурой, выпуском чипов на основе которой могут заняться другие производители.

О том же, что планы относительно Quark действительно очень серьёзны, говорит хотя бы тот факт, что специально ради этой микроархитектуры в структуре компании появилось специальное подразделение Internet of Things Solutions Group, которому, помимо Quark, также передана и разработка встраиваемых модификаций Atom. Иными словами, Quark вполне может стать для Intel ещё одной опорой в тяжелые времена падения спроса на большие ядра.

⇡#AMD Jaguar

Посвятить итоговый материал одной только Intel было бы идеологически неправильно. К счастью, компания AMD, которая уже давно довольствуется достаточно небольшой, 15-20-процентной долей на рынке x86-процессоров, пока окончательно не сдала свои позиции. Хотя, конечно, предпосылки к этому имеются: разработка высокопроизводительных процессоров заброшена, а в планах активно появляются продукты, построенные на архитектуре ARM. Но в 2013 году эта компания всё же достаточно громко заявила о себе как о разработчике x86-процессоров, и смогла даже добиться вполне заметных успехов. Но речь идёт совсем не о процессорах для настольных систем. Так же как и Intel, AMD увлеклась низковаттными процессорными дизайнами, которые надеется пристроить как в компактные ноутбуки или гибриды, так и в планшеты. И самым важным и самым выгодным процессорным продуктом, спроектированным и выпущенным AMD в прошлом году, оказалась энергоэффективная микроархитектура Jaguar, которая стала дальнейшим развитием идей, заложенных в дизайне Bobcat.

При этом Jaguar — это не простая оптимизация старых экономичных процессоров Bobcat под новую 28-нм технологию производства. Напротив, это — серьёзно переработанный продукт, обладающий значительными архитектурными улучшениями, которые позволяют достичь как серьёзного роста производительности, так и снижения энергопотребления в сравнении с предшественниками. Впрочем, в то же время микроархитектура Jaguar очень далека от «нормальных» производительных x86-разработок. В то время как «большие ядра» способны обрабатывать от трёх до пяти инструкций за такт, Jaguar нацеливается на исполнение одной инструкции за такт, но с гораздо меньшими затратами энергии. Так, двух- и четырёхъядерные процессоры с дизайном Jaguar для ноутбуков обладают тепловыми пакетами на уровне 15-25 Вт, а более экономичные модификации для планшетов вписываются в 4-8 Вт.

Построенные на базе микроархитектуры Jaguar решения являются полноценными системами-на-чипе (кстати, первыми в ассортименте AMD). В них встроены DirectX 11-совместимые графические ядра с архитектурой GCN, обладающие 128 исполнительными устройствами, и южный мост с поддержкой всех современных интерфейсов, включая PCI Express, USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с.

Что же касается непосредственно внутреннего строения вычислительных ядер Jaguar, то их производительность по сравнению с показателями Bobcat выросла примерно на 15 процентов на той же тактовой частоте, к чему добавился рост собственно частот, составляющий около 10 процентов. Достигнуто всё это главным образом за счет внесения значительных улучшений в работу предсказания переходов и выборки данных, а также попутным увеличением длины исполнительного конвейера. В дополнение к этому инженеры AMD переработали вещественночисленный блок, ширина которого была увеличена вдвое, а также снабдили Jaguar новым инклюзивным кешем второго уровня большого объёма. В соответствии с веяниями времени в новом энергоэффективном процессоре появилась поддержка современных наборов инструкций, включая SSE4.2 и AVX. Нашли в новинке применение и многочисленные энергосберегающие подходы: дополнительные состояния сна и поблочное отключение простаивающих частей процессора.

Впрочем, успех к Jaguar пришёл вовсе не как к решению для недорогих ноутбуков или для Windows-планшетов. Напротив, в этих сферах доля процессоров AMD остаётся столь же невысокой, как и в целом по рынку. Оценить же по достоинству этот дизайн смогли производители игровых консолей, которых привлекла модульность Jaguar и готовность AMD гибко адаптировать процессоры этого класса под конкретные нужды, например добавлять к ядрам с этой микроархитектурой более производительные варианты графики. В результате обе вышедшие в 2013 году игровые приставки, PlayStation 4 и Xbox One, оказались основаны на процессорах AMD специального дизайна с микроархитектурой Jaguar. Чипы, лежащие в основе консолей, имеют по восемь вычислительных ядер и снабжены графикой с 1152 (в случае Playstation 4) или 768 (в случае Xbox One) потоковыми процессорами.

Завязавшееся на почве Jaguar сотрудничество с Sony и Microsoft позволило AMD не только поправить своё финансовое положение. Благодаря выпуску заказных чипов для приставок обоих производителей, AMD получила гарантию востребованности своей продукции в течение ближайшей пятилетки вне зависимости от того, как пойдёт разработка новых x86-микроархитектур впоследствии. И на сегодняшний день «эффект консолей» уже хорошо заметен в том, что доля AMD на глобальном рынке x86-процессоров немного увеличилась. А возможно, показанный Sony и Microsoft пример станет стимулом к сближению с AMD и других производителей оборудования, тем более что AMD готова развивать свой бизнес по выпуску чипов, спроектированных на заказ.

Получается, что именно микроархитектура Jaguar, которая на самом деле не обладает никакими особыми прорывными характеристиками, обеспечила для AMD положительные результаты (во всех смыслах) работы в прошлом году. А потому анонс Jaguar и занимает достойное место в числе важнейших событий 2013 года на процессорном рынке.

⇡#Вместо заключения

Конечно, в этой итоговой статье мы упомянули далеко не все произошедшие в прошлом году анонсы. Однако обойдённые нашим вниманием события, откровенно говоря, не столь интересны, и только выступают лишней иллюстрацией того, что производительные персональные компьютеры перестали быть приоритетным направлением и для AMD, и для Intel. Разве можно поставить в один ряд с выходом инновационных энергоэффективных микроархитектур Silvermont, Quark и Jaguar переименование процессоров Trinity в Richland? Или приход в производительные десктопы и серверы микроархитектуры Ivy Bridge годичной давности?

То-то и оно, все важнейшие события, имевшие место на процессорном рынке в прошлом году, так или иначе касаются именно рынка мобильных устройств, с которым разработчики x86-процессоров теперь неразрывно связывают своё будущее. Вполне закономерно, что в этом направлении будет происходить развитие отрасли и в 2014-м. Intel внедрит 14-нм техпроцесс, что превратит Haswell в Broadwell и сделает его ещё более экономичным и более подходящим для ультрабуков и гибридных устройств. Silvermont эволюционирует в Airmont, попутно пытаясь попасть не только в планшеты, но и в коммуникаторы. А AMD будет выводить на рынок новую микроархитектуру Puma, которая должна дать возможность создавать более подходящие для мобильных устройств чипы, нежели имеющаяся микроархитектура Jaguar.

Правда, кое-что всё-таки перепадёт и приверженцам традиционных ПК. Здесь Intel обещает выпустить на базе микроархитектуры Haswell свой первый десктопный высокопроизводительный процессор с восемью ядрами, что может стать определённым прорывом, особенно на фоне установившегося застоя. AMD же, окончательно отказавшаяся от амбиций в верхнем ценовом сегменте, будет продолжать стараться продвинуть свою концепцию гетерогенных вычислений, делая ставку на новый дизайн – Kaveri, наше подробное знакомство с которым, к слову, состоится буквально через несколько дней.