Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

Гибкость архитектуры процессоров шестого поколения позволила для одного и того же типа процессора использовать различные виды ядра. Такой подход позволял без кардинальной доработки компьютера оптимизировать его работу для различных применений.

Чтобы не запутаться, для подтипов одного и того же процессора стали применять условные названия. Сначала их использовали только внутри корпорации Intel, но потом такими названиями стали маркировать и серийные процессоры. Хотя это и породило некоторую путаницу, т. к. для одного и того же процессора могло быть несколько названий.

Первым получил личное имя – кодовое название Klamath, которое стало широко использоваться,  – процессор Pentium II. В дальнейшем красивые имена, которые оказались полезными для рекламных целей, стали получать все процессоры.

В июне 1998 г. корпорация Intel объявила о выпуске процессора Pentium II Xeon с тактовой частотой 400 МГц, предназначенного для серверных приложений и рабочих станций. Процессор выпускался с кэшем второго уровня 512 Кбайт и 1 Мбайт и частотой внешней шины 100 МГц.

В этом же году, в октябре 1998 г., появился процессор Pentium II Xeon с тактовой частотой 450 МГц и кэшем 256 Кбайт.

Так как наибольший эффект в повышении производительности достигался за счет увеличения кэша, то в январе 1999 г. было объявлено о выпуске процессоров Pentium II Xeon с размером кэша 512 Кбайт, 1 и 2 Мбайт.

Продолжая линию Xeon, в марте 1999 г. был выпущен процессор Pentium III Xeon с тактовой частотой 500 и 550 МГц. Число транзисторов на кристалле 9,5 млн. (технология 0,25 мкм). Кэш второго уровня размеров 512 Кбайт, 1 и 2 Мбайт.

В октябре 1999 г. появился процессор Pentium III Xeon с тактовой частотой 733 МГц, произведенный по 0,18 мкм технологии. Самое же замечательное в нем было то, что частота системной шины возросла до 133 МГц.

Уже в январе 2000 г. для процессора Pentium III Xeon удалось добиться повышения тактовой частоты до 800 МГц, а в апреле – до 866 МГц.

Процессор Pentium III Xeon с тактовой частой 933 МГц выпущен в мае 2000 г. Кэш второго уровня – 256 Кбайт. Частота системной шины – 133 МГц.

Только через год, в марте 2001 г., появился новый процессор Pentium III Xeon с тактовой частотой 900 МГц. Кэш второго уровня – 2 Мбайт. Частота системной шины – 100 МГц.

Архитектура процессоров Xeon оказалась настолько удачной, что в мае 2001 г. появился процессор Intel Xeon, без приставки "III" или "4". Первые такие процессоры работали на тактовой частоте 1,4, 1,5 и 1,7 ГГц, а сентябре 2001 г. была взята частота в 2 ГГц. Наиболее впечатляющей оказалась частота системной шины, которая поднялась до 400 МГц. Но, следует заметить, что реально шина продолжала работать на частоте 100 МГц, а вот за один такт стало возможным прочитать 4 слова данных.

Конечно, совершенствование линейки процессоров Xeon шло не только за счет наращивания тактовой частоты и размеров кэша, как может показаться из прочитанного выше текста. Тем более что производительность компьютера не прямо пропорциональна увеличению тактовой частоты, а размер кэша часто вынужденно увеличивают для обеспечения полноценной работы новых функциональных блоков в процессоре. Например, после успешного запуска в производство Pentium 4, в процессоре Xeon в 2001 г., также стала использоваться микроархитектура Intel NetBurst.

Кроме того, процессоры Xeon предназначены для работы во многопроцессорных системах (обычно устанавливается 2 или 4 процессора на системную плату), т. е. они ориентированы на серверные приложения, где основная задача – это обеспечение многопользовательского режима работы. Учитывая такую особенность, разработчики совершенствовали архитектуру этих процессоров в той части, которая обеспечивала эффективность многопроцессорной работы. Венцом усилий инженеров корпорации Intel стала технология Hyper-Threading, реализованная в процессорах Intel Xeon с ядром Prestonia и в Intel Xeon MP, он же – Foster MP. Основная идея, заключенная в технологии Hyper-Threading,  – когда в одном реальном процессоре формируются два логических процессора (Logical Processor, LP). Это несколько похоже на то, как в расширенном разделе винчестера можно создать несколько логических дисков. И точно так же операционная система видит вместо одного процессора два.

Заметим, что технология Hyper-Threading эксплуатирует с успехом тот факт, что при выполнении реальных задач процессор никогда не использует все свои ресурсы. А раз так, то можно без проблем передать простаивающие без работы блоки другой задаче (в какой-то степени это применяется и в обычных процессорах). И даже можно пойти дальше – имитировать наличие двух процессоров.

Правда, два логических процессора – это не два настоящих процессора. Поэтому не стоит задумываться о покупке процессора с технологией Hyper-Threading для домашнего компьютера и простой рабочей станции. Для подавляющего большинства программ, с которыми работают пользователи, выигрыш составляет единицы процентов, а иногда общая производительность компьютера может даже упасть чуть ли не в два раза.

Картриджи для процессоров Pentium II, несмотря на ряд преимуществ (если подумать, то это другое направление развития персональных компьютеров), были мало подходящими для персональных компьютеров. А поскольку совершенствование технологии изготовления интегральных микросхем продолжалось, то вскоре удалось размещать кэш второго уровня на кристалле так же, как и в Pentium Pro. Новый процессор, который появился в результате совершенствования технологии, получил название Pentium III (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Процессор Pentium III

О первых процессорах Pentium III с тактовыми частотами 450 и 500 МГц было объявлено в феврале 1999 г., в мае пришло сообщение о начале производства процессора с тактовой частотой 500 МГц, а в августе – с тактовой частотой 600 МГц.

В новом процессоре удалось на одном кристалле разместить 9,5 млн. транзисторов (технология 0,25 мкм).

Кэш второго уровня сделали объемом 256 Кбайт. Частота системной шины 100 МГц.

Как раз в это время обострилась конкурентная борьба между корпорациями Intel и AMD, и если сложить вместе их пресс-релизы, получится захватывающий авантюрный роман. Каждая корпорация пыталась раньше конкурента объявить о взятии нового рубежа и внедрении новых технологий. Ниже приводится сжатое резюме этой продолжающейся до сих пор схватки с точки зрения корпорации Intel.

В октябре 1999 г. было объявлено о процессорах Pentium III с тактовыми частотами 400, 450 и 500 МГц, изготовляемых по технологии 0,18 мкм. Напряжение ядра у этих процессоров оказалось равным 1,6 В для 450 и 500 МГц и 1,35 В для 400 МГц.

Так как требовались все более и более высокочастотные процессоры, то в октябре 1999 г. были анонсированы процессоры Pentium III с тактовыми частотами 500, 533, 550, 600, 650, 667, 700 и 733 МГц, для производства которых применялась технология 0,18 мкм. Кроме повышения частоты ядра, новые процессоры позволяли использовать для системной шины не только частоту в 100 МГц, но и 133 МГц.

Март 2000 г. оказался продуктивным для процессоров Pentium III. В конце месяца появились процессоры с тактовыми частотами 850 и 866 МГц, а вот в начале – было объявлено о взятии тактовой частоты в 1000 МГц (1 ГГц).

В мае 2000 г. появился Pentium III хотя и с тактовой частотой 700 МГц, но зато с кэшем второго уровня 1 и 2 Мбайт. Заметим, что частота системной шины всего 100 МГц.

Также в мае начат выпуск процессоров Pentium III с тактовой частотой 933 МГц и кэшем второго уровня 256 Кбайт. Частота системной шины – 133 МГц.

Для ноутбуков корпорация Intel в июне 2000 г. начала выпуск Pentium III с тактовой частотой 750 МГц. Кэш второго уровня – 256 Кбайт. Частота системной шины – 100 МГц. Напряжение ядра могло меняться в зависимости от режима работы от 1,35 В до 2 В.

И 2001 г. порадовал владельцев ноутбуков. Вышла целая серия процессоров Intel Pentium III, в середине года преодолевших рубеж 1 ГГц. В июле 2001 г. появились процессоры 866 и 933 МГц, а также гигагерцовые – 1,13, 1,06 и 1 ГГц. Продолжение последовало в октябре 2001 г., когда была взята частота в 1,2 ГГц. Все процессоры работали с частотой внешней шины 133 МГц и имели кэш второго уровня 512 Кбайт.

Еще один процессор Pentium III с технологией сверхнизкого энергопотребления и тактовой частотой 700 МГц появился в ноябре 2001 г. Частота системной шины – 100 МГц. Кэш второго уровня – 512 Кбайт.

* * *

Продолжая внедрять новые технологии, корпорация Intel в январе 2000 г. выпустила процессор Pentium III с технологией Intel SpeedStep, которая позволяла в зависимости от загрузки и внешних условий менять тактовую частоту ядра процессора. Первые такие процессоры появились с тактовыми частотами 600 и 650 МГц. Кэш второго уровня – 256 Кбайт, частота системной шины – 100 МГц, напряжение ядра – 1,6 В. В апреле была достигнута тактовая частота 700 МГц.

Продолжая выпуск процессоров Pentium III с использованием технологии Intel SpeedStep для ноутбуков, в июне 2000 г. начали выпуск моделей с тактовой частотой 600 МГц, у которых напряжение ядра менялось от 1,1 В до 1 В.

Процессор Pentium III с технологией Intel SpeedStep с тактовой частотой 700 МГц, но уменьшенным до 128 Кбайт кэшем был выпущен в сентябре 2000 г. Частота системной шины – 100 МГц. Напряжение ядра – 1,6 В.

В сентябре 2000 г. начат выпуск Pentium III с технологией Intel SpeedStep с тактовыми частотами 800 и 850 МГц. Кэш второго уровня – 256 Кбайт. Напряжение ядра – 1,35 В.

Совершенствуя процессоры для ноутбуков, в январе 2001 г. выпустили процессор Pentium III по технологии Intel SpeedStep с тактовой частотой 500 МГц (далее 600 и 700 МГц) и режимом оптимальной производительности, когда тактовая частота понижалась до 300 МГц. В процессор был интегрирован кэш второго уровня объемом в 256 Кбайт. Частота системной шины – 100 МГц. Напряжение питания ядра менее 0,5 В при частоте 300 МГц.

Для процессоров Pentium III с технологией Intel SpeedStep тактовая частота в 1 ГГц (900 МГц) покорилась в марте 2001 г. Кэш второго уровня – 256 Кбайт. Частота системной шины – 100 МГц. Напряжение ядра в оптимальном режиме 1,35 В.

В продолжение развития линии Pentium III с технологией Intel SpeedStep, в начале 2001 г. были выпущены процессоры для мобильных компьютеров с тактовыми частотами 500 и 600 МГц и кэшем второго уровня объемом в 256 Кбайт и 750 МГц с кэшем, равным 512 Кбайт.

В 2000 г. корпорация Intel анонсировала следующее поколение 32-разрядных процессоров, которое получило название Pentium 4. На рис. 2.12, a показан внешний вид процессора в корпусе под Socket 423, а на рис. 2.12, б модернизированный корпус под Socket 478.

Рис. 2.12. Процессор Pentium 4: а – в корпусе под Socket 423; б – в корпусе под Socket 478

Основной изюминкой этих процессоров стала микроархитектура NetBurst, в которой используется ряд новых технологий. Наиболее существенная новинка, позволившая увеличить скорость обмена данными между процессором и внешним миром, это способность считывать данные 4 раза за один такт, т. е. стало возможным использовать частоту системной шины в 400 МГц, а в дальнейшем и 533 МГц. Кроме того, использована гиперконвейерная обработка команд, применена кэш-память с отслеживанием выполнения команд и добавлен блок быстрого исполнения команд, который работает на удвоенной частоте ядра (например, при тактовой частоте ядра 2,53 ГГц блок быстрого исполнения команд работает на частоте 5,1 ГГц, а это, в основном, арифметические и логические команды). Также были улучшены характеристики уже традиционных блоков и технологий, например, динамического исполнения команд, вычислений с плавающей запятой, обработки команд, используемых в мультимедийных приложениях, потоковых SIMD-расширений SSE2, а кэш-память 2 уровня получила более совершенную систему передачи данных. Сама же кэш-память использует отдельную шину (архитектура с двумя независимыми шинами – D.I.B.), независимую от системной, что позволило увеличить пропускную способность каналов передачи данных.

Так как корпорация Intel любит делать сюрпризы пользователям, то в 2000 г. был выпущен процессор Pentium 4 с ядром Northwood и тактовой частотой 2 ГГц, для которого применили технологию 0,13 мкм с использованием медных соединений. Размер кэша второго уровня – 512 Кбайт.

На момент написания этих строк выпущены процессоры Pentium 4 с тактовыми частотами ядра 1,30, 1,40, 1,50, 1,60, 1,70, 1,80, 1,90, 2,20, 2,40, 2,50, 2,53, 2,60, 2,66, 2,80 ГГц, а также появились сообщения о скором взятии частоты в 3 ГГц. В процессорах использована кэш-память 1 уровня с технологией отслеживания исполнения команд (Execution Trace Cache) объемом 32 Кбайт, кэш-память 2 уровня – 256 Кбайт (для процессоров 2 ГГц и ниже) или 512 Кбайт (с архитектурой Advance Transfer Cache при техпроцессе 0,13 мкм).

Несмотря на такой спектр новинок, использованных в процессорах Pentium 4, его применение в персональных компьютерах вызывает ряд споров, которые, в основном, вызваны тем, что при сравнении Pentium III и Pentium 4 не наблюдается явного повышения производительности. Тут можно сказать следующее – новая архитектура требует нового подхода к разработке программ и операционных систем. Соответственно, если на новом типе процессора пытаются запустить программное обеспечение, разработанное для предыдущего поколения процессоров, то особого выигрыша чаще всего не получить, можно наблюдать иногда даже и падение производительности. А вот программы, оптимизированные для работы на процессоре Pentium 4, показывают неплохую "шустрость". Так что стоит подождать, когда появится рабочий комплект программ для использования с новым процессором, а не жаловаться, что, мол, мой Pentium 4 с тактовой частотой 1,7 ГГц работает так же, как Celeron 330 МГц.

Примечание

Производительность во многом зависит от системной платы. Например, некоторые первые системные платы для процессора Pentium 4 оказались просто неудачными. На них не то что рекордных показателей не получить, но даже не понять, а зачем было покупать новый процессор.

Для процессоров Pentium 4 был разработан сокет с 423 контактами (Socket 423). Правда, очень скоро кристаллы процессоров Pentium 4 стали устанавливать в новый малогабаритный корпус, для которого был разработан Socket 478 уменьшенных габаритов.

Процессор Celeron не является новым типом процессора, а представляет собой упрощенную версию какого-либо из процессоров Pentium II, III или 4. В основном, снижение технических характеристик (или перевод уже устаревшего процессора в более дешевую категорию) происходит за счет уменьшения объема кэша второго уровня в два раза.

Первые процессоры Celeron – это Pentium II. Вся разница между ними – это отсутствие дорогих микросхем кэша второго уровня в картридже. В итоге, на таком процессоре можно собирать дешевые компьютеры, от которых не требуется рекордов производительности. Заметим, что многим программам вполне хватает объема кэша первого уровня, а замедление работы компьютера во время чтения новой порции данных из основной оперативной памяти происходит не слишком часто. В дальнейшем процессоры Celeron, начиная с Celeron 300А, имеют кэш 128 Кбайт (это половинка кэша Pentium III).

Из конструктивных особенностей процессоров Celeron можно отметить уменьшенную разрядность шин, отсутствие ряда расширенных функций, нужных для создания высоконадежных компьютерных систем. Также не выводятся на контакты стандартного корпуса процессора сигналы, например, нужные для построения многопроцессорных систем, и пр.

Фактически, появление процессора Celeron, как и процессора Pentium II, обусловлено несовершенством технологического процесса при изготовлении кремниевых кристаллов. Например, любая пылинка, попавшая на кристалл, представляет собой большую гору по сравнению с транзисторами, из которых собран процессор. Да и пластины кремния не являются идеальными, хотя больше всего сил и денег у производителей уходит на очистку кремния от посторонних примесей и создание идеальной кристаллической структуры. Наиболее сильно подвержены повреждению области кэша второго уровня, т. к. занимают большую площадь на кристалле и создаются из наиболее мелких транзисторов. Заметим, что именно из-за проблем с кэшем в качестве временного решения проблемы кэш второго уровня процессора Pentium II выполнялся на отдельных микросхемах.

Идея выпуска упрощенных моделей процессоров так понравилась потребителям, что корпорация Intel продолжила выпуск процессоров Celeron и после появления Pentium III и 4. То есть процессоры Celeron являются упрощенными вариантами выпускающихся в данный момент процессоров. Поэтому потребителю надо не забывать, что под одной торговой маркой скрываются значительно отличающиеся друг от друга процессоры, а это может вызвать проблемы при апгрейде компьютера.

Уделим еще немного внимания причине существенной дешевизны процессоров Celeron. Если нарушена структура микросхемы в области логических блоков, то такой кристалл идет в брак. А коэффициент выхода готовых процессоров не так уж велик[3]3
  Называется величина в 70 %, но вполне хорошо, когда процент годных микросхем равен 10 %.


[Закрыть], и именно из-за этого стоимость процессоров значительно выше, скажем, стоимости обычных транзисторов и микросхем. Чтобы поднять выход годных процессоров, используют возможность отключения части блоков кэш-памяти с помощью пережигания специальных перемычек на кристалле, а для сокращения разнообразия выпускаемых процессоров кэш второго уровня уменьшают до величины 128 Кбайт (для процессоров, приведенных в табл. 2.1).

Пользователям, которые самостоятельно модернизируют свой персональный компьютер, следует помнить, что в процессорах, выпускаемых не в картриджах, надо обращать внимание на тип используемого в процессоре ядра, т. к. не все системные платы поддерживают многообразие существующих технологий. Возможно даже повреждение процессора Celeron Coppermine, если системная плата не вырабатывает пониженного напряжения питания, нужного для такого процессора. Кроме того, процессоры Celeron, начиная с тактовой частоты 1,2 ГГц, являются "аналогами" Pentium 4, в которых использовано ядро Tualatin. Процессор имеет кэш второго уровня в 256 Кбайт, как Pentium III. Системная шина работает на частоте 100 МГц. Заметим, что для новых версий процессоров Celeron в очередной раз было снижено напряжение питания, поэтому опять возникают проблемы с подбором пары процессор —системная плата. Кстати, летом 2002 г. появилось сообщение, что были выпущены процессоры Celeron 900А, которые представляют собой "урезанный" Pentium 4 1,7 ГГц, поэтому вполне возможно, что у вас в руках может оказаться нестандартный вариант процессора, которого нет ни в одном справочнике.

Примечание

На данный момент, как сообщается на сервере корпорации Intel, были выпущены процессоры Celeron с тактовыми частотами 1,80, 1,70, 1,40, 1,30, 1,20, 1,10, 1 ГГц и 950, 900, 850, 800, 766, 733, 700,667, 633, 600, 566, 533, 533А, 500 МГц и ниже. Частота системной шины 66 МГц, 100 МГц или 400 МГц. Для этих процессоров использовались корпуса S.E.C.C.2 (Single Edge Contact Cartridge 2), FC-PGA (Flip-Chip Pin Grid Array) и FC-PGA2 (Flip-Chip Pin Grid Array 2).

Из всего этого многообразия, которое перечислено выше, на сентябрь 2002 г. реально выпускаются процессоры Celeron с тактовыми частотами от 850 МГц до 1,80 ГГц.

Информация о том, что корпорация Intel разрабатывает полноценный 64-разрядный процессор, стала достоянием общественности в середине 90-х годов прошлого века. Этой разработке дали красивое название Merced (недалеко от Сан-Хосе в США есть город Merced).

Довольно долгое время компьютерный мир питался слухами и обрывками информации о новой разработке, пока 20 ноября 2000 г. не состоялось торжественное "рождение" нового процессора, который получил торговую марку Itanium. Внешний вид процессора показан на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Процессор Itanium

Пусть вас не удивляет, что реальный процессор Itanium появился лишь совсем недавно. Эту простую микросхему можно разработать и запустить в производство в считанные дни, а вот когда приходится иметь дело с новым типом процессора, микросхема которого должна содержать многие миллионы транзисторов, работы могут растянуться на долгие годы.

Первый процессор Itanium был изготовлен по технологии 0,18 мкм и мог работать на тактовых частотах 1,4 и 1,5 ГГц. Объем кэша второго уровня у него оказался достаточно скромным – 256 Кбайт, но зато системная шина работала на частоте 400 МГц (точнее, за один такт читалось 4 слова). А в 2001 г. появились процессоры с тактовыми частотами 1,7, 1,9 и 2 ГГц.

Процессоры Itanium входят в семейство процессоров IA-64 (64-разрядная архитектура Intel), для которых был предложен новый набор команд EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing, вычисления с явным параллелизмом команд), а сама концепция разработана совместно корпорациями Intel и Hewlett-Packard. Причем корпорация Intel сразу стала работать над двумя моделями процессора – Merced и McKinley – для массового (общего) применения и для высокопроизводительных серверов.

В момент написания этих строк пришло сообщение, что второе поколение процессоров Itanium получило официальную торговую марку – Itanium 2. Под этим именем будет раскручиваться рекламная кампания для продвижения на рынок рабочих станций и серверов высшего уровня (можно встретить термин "high-end") процессора, который был известен ранее широкой публике под рабочим названием McKinley.

Производительность второго поколения процессоров Itanium, по предварительным оценкам, будет в 1,5–2 раза выше.

Конечно, в домашних персональных компьютерах Intel Itanium 2 вряд ли появится в обозримом будущем и не сколько из-за своей цены, сколько из-за отсутствия программного обеспечения, которое сможет эффективнее решать те задачи, которые сегодня с успехом выполняют более простые и дешевые процессоры.