С развитием полупроводниковых технологий и совершенствованием внутренней архитектуры вычислительные возможности процессоров в сравнительно короткий срок возросли в десятки тысяч раз. Важнейшая же их характеристика — производительность — зависит от тактовой частоты, на которой работает ядро.

С точки зрения пользователя, быстродействие процессора характеризуется временем выполнения определенного набора команд, последовательность которых образует компьютерную программу. Чем оно меньше, тем выше производительность. Иными словами:

Модели процессоров одного семейства, имеющие более высокие показатели тактовых частот, обладают и большей производительностью. Именно поэтому на протяжении сравнительно длительного времени повышение производительности процессора достигалось путем увеличения тактовых частот, на которых работают полупроводниковые ядра процессоров.

Однако безудержному росту тактовых частот препятствуют объективные физические законы, определяющие работу элементов уже нанометровых размеров. В ряду таких элементов нужно назвать прежде всего полупроводниковые транзисторы, изготовленные по технологии КМОП (CMOS). Параметры этих транзисторов (десятки миллионов которых составляют основу ядер процессоров) в значительной степени зависят от типоразмеров.

Изменение размеров определяется эволюцией технологических процессов, в соответствии с которыми осуществляется выпуск процессоров. Среди параметров, характеризующих техпроцесс, одним из основных выступают габариты полупроводниковых элементов (уменьшаемые каждые два года).

Совершенствование технологии и постепенное уменьшение размеров транзисторов способствуют улучшению их параметров, важнейшими из которых являются скоростные свойства. Благодаря уменьшению длины затвора в М раз пропорциональным образом возрастают частотные параметры и плотность размещения транзисторов.

Однако работающие на высоких частотах транзисторы, десятки миллионов которых расположены на очень малой площади полупроводникового кристалла, оказывают друг на друга негативное влияние. Это влияние можно легко проиллюстрировать на примере расположенных рядом проводников, соединяющих элементы в ядре процессора (рис. 1).

Данные проводники обладают взаимной емкостью, которая, как известно, зависит от расстояния между проводниками и площади обращенных друг к другу сторон и вычисляется по известной формуле:

где С — емкость, S — площадь, d — расстояние, k — коэффициент диэлектрической проницаемости среды.

Взаимная емкость способствует появлению неконтролируемых токов: на высоких частотах образованный проводниками конденсатор обладает проводимостью. Оценивая поведение приведенной схемы на высоких частотах, нельзя не заметить, что размеры проводников малы, но мало и расстояние между ними.

Учитывая же величины частот, а также количество таких проводников, составляющее многие миллионы, можно утверждать, что их влиянием на частотные свойства внутренних структур процессорного ядра нельзя пренебрегать. Особенно если принять во внимание то обстоятельство, что каждый проводник обладает еще и активным сопротивлением, и индуктивностью (рис. 1). Остается добавить, что и активные (резисторы), и реактивные (емкости, индуктивности) составляющие полного импеданса являются распределенными по всей длине проводников, что многократно усложняет описание и поведение подобных систем на высоких частотах.

Однако ситуация является еще более сложной, особенно если вспомнить, что описанная система находится не в вакууме, а между проводниками находятся вещества, обладающие определенными диэлектрическими свойствами, влияющими на величины взаимных емкостей.

Из приведенного рисунка должно быть понятно, почему конструкторы стремятся использовать для изоляции элементов полупроводниковых микросхем материалы с меньшей величиной диэлектрической проницаемости (k). Кроме топологии проводников, необходимо учитывать и влияние самих транзисторов. Каждый из них, обладая собственными емкостными и индуктивными характеристиками, искажает высокочастотные сигналы и способствует росту токов утечки.

Кроме того, транзисторы являются активными элементами: оказывая электромагнитное воздействие на близлежащие элементы, они, в свою очередь, сами испытывают аналогичное влияние от соседних цепей. Входящие же в состав транзисторов p-n-переходы способны осуществлять непредусмотренное детектирование наведенных токов, их усиление и последующую передачу.

Общая картина многократно усложняется, если учесть, что размеры транзисторов уже достигли тех значений, когда все большее влияние начинают оказывать квантовые эффекты. Миниатюризация полупроводниковых элементов, работающих на сверхвысоких частотах в условиях значительных электромагнитных помех, обусловливает стремительный рост неуправляемой составляющей токов в электронных схемах.

Здесь следует напомнить, что для сохранения устойчивости работы электронных схем токи, контролируемые работающими элементами, должны быть больше неуправляемых токов утечки. В результате негативных явлений, порождаемых процессами миниатюризации, неуправляемые токи, основу которых составляют токи утечки, а также паразитные токи, связанные с ростом частоты переключения транзисторов, препятствуют снижению теплообразования процессоров за счет миниатюризации элементов. Это означает, что ожидаемого существенного снижения теплообразования не происходит, несмотря на уменьшение напряжения питания, достигнутое благодаря уменьшению типоразмеров транзисторов.

Доля указанной неконтролируемой части электрического тока, и без того довольно значительная, еще более увеличивается с ростом частоты.

Однако обратная сторона частотного роста — опять же сравнительно быстрое увеличение теплообразования процессоров. Учитывая же тот факт, что площадь кристалла процессора практически остается постоянной, рост теплообразования способствует увеличению плотности энергии. Высокая же мощность теплообразования сопровождается перегревом внутренних структур процессора, что негативно сказывается на работоспособности, а также усиливает и ускоряет процессы деградации полупроводников.

В попытках решить проблему снижения энергопотребления своих изделий, конструкторы принялись встраивать в ядра специальные цепи (их функционирование поддержано системным программным обеспечением), которые регулируют работу процессоров и обеспечивают, в зависимости от вычислительной нагрузки и условий эксплуатации, установку оптимальных электрических и частотных режимов. То есть в случае снижения вычислительной нагрузки происходит уменьшение тактовой частоты работы ядра.

Кстати, при снижении тактовой частоты процессора ниже штатной величины напряжение питания его ядра может быть соответствующим образом снижено без нарушения устойчивости работы системы, и это позволяет снизить теплообразование процессора. Будучи стандартными для портативных компьютеров, такие операции, выполняемые в автоматическом режиме аппаратно-программным обеспечением, предназначены для экономии энергии батарей. Однако понижение напряжения и частоты уже используется и для моделей серверного сектора, и сектора настольных компьютеров, что позволяет не только уменьшить энергопотребление, но и существенно снизить тепловую нагрузку на полупроводниковые кристаллы ядер процессоров.

Для оценки эффективности подобных технологий для снижения тепловой нагрузки на ядро процессора целесообразно воспользоваться следующей формулой:

где P — тепловая мощность процессора, С — коэффициент, учитывающий взаимную емкость элементов ядра процессора и зависящий от архитектуры его ядра (обычно возрастает с увеличением плотности размещения элементов на кристалле микросхемы), V — напряжение питания ядра, F — тактовая частота.

Данное выражение легко приводится к следующему виду:

В этом уравнении, связывающем основные характеристики теплообразования, переменные с индексом k обозначают соответствующие параметры изменяемых режимов, а переменные с нулевым индексом — параметры штатного режима.

Приведенная формула показывает, что уменьшение тактовой частоты и, как следствие, возможность уменьшения напряжения питания обеспечивают значительное снижение мощности теплообразования.

Так, например, 20%-ное уменьшение тактовой частоты и напряжения уменьшает теплообразование в два раза. Снижение же производительности можно компенсировать использованием нескольких ядер.

В результате, как показывают расчеты и практическая реализация, замена верхних моделей на процессоры с несколькими ядрами способна обеспечить существенный прирост производительности при приемлемом теплообразовании. (Первые такие процессоры, ориентированные на сектор настольных компьютеров и созданные на основе архитектуры NetBurst, вывела на рынок Intel.)

Дальнейшего снижения энергопотребления можно достичь простым переходом на архитектуру процессоров Intel Pentium M или более совершенную Intel Core Duo с соответствующим увеличением тактовых частот до уровня производительности Intel Pentium 4.

Но конструкторы корпорации Intel пошли другим путем.

Специалисты Intel предложили новую архитектуру, обеспечивающую эффективное снижение показателя Energy per Instruction (энергии, затраченной на выполнение одной инструкции). Данная архитектура, предоставляющая возможность реализации производительных экономичных многоядерных процессоров, получила наименование Intel Core Microarchitecture. Создана она группой конструкторов, ранее разработавших архитектуру ядра Banias. И хотя новинка, по мнению многих специалистов, ведет свою родословную от архитектуры P6, реализованной в Intel Pentium Pro и Pentium II/III, она является отдельной разработкой (рис. 2).

В продуктах, созданных на основе Intel Core Microarchitecture, нашли свое воплощение многие инновационные технологии, в частности Intel Wide Dynamic Execution, Intel Advanced Smart Cache, Intel Smart Memory Access, Intel Advanced Digital Media Boost, Intel 64 Technology, Intel Intelligent Power Capability. Данная архитектура стала основой для двухъядерных процессоров всех сегментов рынка ПК — настольных (Conroe), ноутбуков (Merom) и серверов (Woodcrest).

Conroe

На основе Intel Core Microarchitecture для рынка настольных компьютеров корпорация недавно выпустила ряд моделей двухъядерных процессоров, получивших наименование Intel Core 2 Duo (ранее известных как Conroe). Основные компоненты ядер процессора Intel Core 2 Duo представлены на рис. 3.

Intel Core 2 Duo — уже третье поколение двухъядерных процессоров Intel для ПК (напомним, что к первому поколению относятся модели Intel Pentium D, разработанные для настольных решений, а ко второму — Intel Core Duo для мобильных ПК).

Все выпущенные в настоящее время процессоры Intel Core 2 Duo, ориентированные на рынок настольных систем, созданы по технологии 65 нм и работают с процессорной шиной, унаследованной от своих предшественников. Для новых процессоров тактовая частота шины составляет 266 МГц, что обеспечивает передачу данных с частотой 1066 МГц и пиковый поток 8,5 Гбайт/с.

За исключением процессоров начального уровня, все модели оснащены 4 Мбайт кэш-памяти второго уровня (L2). Весь объем памяти доступен обоим ядрам, интегрированным в состав каждого из процессоров. Кэш-память первого уровня (L1) у всех моделей одинакова и составляет 32 Кбайт для инструкций (L1 Code) и 32 Кбайт для данных (L1 Data). Все модели поддерживают 64-битные расширения Intel Enhanced Memory 64 Technology (EM64T), SIMD инструкции SSE, SSE2 и SSE3, технологию виртуализации — Intel Virtualization Technology (VT) и бит Execute Disable, участвующий в системе информационной защиты. И, кроме того, поддерживают технологии управления энергопотреблением Enhanced Intel SpeedStep, Thermal Monitor 2. Основные параметры недавно выпущенных моделей для настольных систем представлены в таблице 2.

Процессоры Intel Core 2 Duo, разработанные для настольных ПК, поддерживаются рядом наборов микросхем системной логики (чипсетами), среди которых семейство Intel 965 и Intel 975X.

Семейство наборов микросхем Intel 965 Express, ориентированное на массовые компьютеры (Mainstream Desktop), включает в себя варианты с графическим решением GMA3000, поддерживающим технологию Intel Clear Video.

Чипсет Intel 975X, разработанный для высокопроизводительных систем (Performance Desktop), поддерживает частоту передачи данных 1066 МГц, технологии повышения производительности подсистемы оперативной памяти и две видеокарты PCI Express x8/x16, способные работать параллельно. Данные наборы микросхем соответствуют требованиям ОС Microsoft Windows Vista Premium.

Производительность

Новая процессорная архитектура, реализующая перечисленные выше технологии, обеспечивает двухъядерным процессорам высокий уровень производительности при значительном сокращении энергопотребления, а следовательно, и теплообразования. В материалах, представленных на весенних сессиях Intel Developer Forum, фигурирует 40-процентное повышение производительности при таком же снижении теплообразования.

Теплообразование, как известно, определяется показателем TDP (Thermal Design Power — максимальная мощность теплообразования микросхемы). Для верхней модели в настоящее время он соответствует 75 Вт, для остальных — 60 Вт. Эти значения существенно ниже аналогичных показателей двухъядерных предшественников, в которых TDP достигал 130 Вт.

Что же касается производительности, обеспечиваемой процессорами с новой архитектурой, то ее оценку целесообразно осуществить в процессе тестирования. В качестве объекта тестирования была использована модель Intel Core 2 Extreme X6800, обеспечивающая наивысший уровень производительности среди процессоров Intel, выпущенных в настоящее время для сектора настольных компьютеров.

В роли эталона в исследовании выступил Intel Pentium D 820 на базе архитектуры NetBurst, относящийся к предыдущему поколению двухъядерных процессоров, разработанных для настольных компьютеров. Эта модель входит в группу продуктов с кодовым именем Smithfield и создана по технологии 90 нм. Тактовая частота работы ядер — 2,8 ГГц, кэш-память L1 Data имеет объем 16 Кбайт, L1 Trace — 12 Kuops, L2 — 1024 Кбайт.

В качестве основы тестовой системы использована материнская плата Intel D975XBX, созданная на основе «топового» чипсета Intel 975X. Основные параметры данной платы приведены в таблице 3.

В ходе тестирования оба процессора — исследуемый Intel Core 2 Extreme X6800 и эталонный Intel Pentium D 820 — корректно опознавались как двухъядерные процессоры.

Результаты выполнения теста 3DMark06 (CPU score) представлены в таблице 4 и на рис. 4.

Одно из важных достоинств систем с двухъядерными процессорами — возможность одновременной работы с несколькими программами. В преимуществах новой архитектуры и созданных на ее основе моделей процессоров можно убедиться на примере теста CPUmark99. Это исследование позволяет запустить несколько копий и загрузить оба ядра каждого из применяемых процессоров.

Результаты выполнения нескольких копий теста CPUmark99 процессором Intel Core 2 Extreme X6800 приведены в таблице 5, процессором Intel Pentium D 820 — в таблице 6.

Значения сумм в графическом виде представлены на рис. 5.

Приведенные результаты тестирования иллюстрируют преимущества Intel Core Microarchitecture над предшествующей архитектурой NetBurst. Действительно, модель Intel Core 2 Extreme X6800 при превышении на 4,6 % внутренней тактовой частоты по сравнению с Intel Pentium D 820 в тесте 3DMark06 (CPU score) демонстрирует на 86 % большую производительность в сравнении с предшественником.

Не менее интересны результаты одновременного выполнения нескольких копий CPUmark99. В случае запуска одной копии превышение составляет 162%, при двух — 161%. С ростом числа копий теста CPUmark99 преимущество в производительности процессора новой архитектуры сохраняется.

В заключение необходимо напомнить, что в тестах использовался инженерный сэмпл модели Intel Core 2 Extreme X6800, а, как показывает опыт, по мере совершенствования технологии и внутренней архитектуры параметры процессоров улучшаются.

Остается добавить, что процессоры, созданные по новой архитектуре, характеризуются весьма низким теплообразованием, что позволяет создавать на их базе компьютеры с низким уровнем акустического шума.