Nehalem: высокая производительность и эффективное использование энергии

🕛 29.07.2008, 23:07

Весенний Форум Intel для разработчиков, состоявшийся в Шанхае, принес большое количество любопытных новостей о грядущем поколении микроархитектуры Intel, которое в настоящий момент носит кодовое наименование Nehalem. Корпорация Intel, следуя тактике, получившей название «тик-так» (по аналогии с движением маятника часов - рассчитанное на 2-летний цикл представление новых производственных процессов каждый нечетный год и новых микроархитектур каждый четный), планирует выпустить на рынок продукты на базе Nehalem уже в конце текущего года.

Системная архитектура
Быстродействие процессора во многом определяется эффективностью доступа к данным. В микроархитектуре Nehalem инженеры Intel подняли планку производительности ещё выше, увеличив реальную пропускную способность подсистемы памяти в 3 раза.
Парадоксально, но факт: данное повышение производительности сопровождается снижением, а не увеличением уровня потребляемой энергии. Это стало возможным благодаря разработке абсолютно новой системной архитектуры. Прежде всего, было решено использовать модули памяти со сниженным энергопотреблением. Кроме этого, контроллер памяти был интегрирован в микросхему центрального процессора, что позволило уменьшить время ожидания данных.
Такой инновационный подход дает возможность получить более быстрый доступ к памяти без дополнительного увеличения энергопотребления. Помимо всего прочего, для предотвращения образования узких мест при передаче данных между процессорами, установленными в разных разъемах, в Intel было разработано новое межкомпонентное соединение Intel® QuickPath, последовательный канал передачи данных типа «точка-точка», который в отличие от стандартной шины FSB, увеличивает скорость передачи данных до 4-8 раз.
Опционально планируется также интегрировать на кристалле центрального процессора графический адаптер, что предоставит значительные преимущества для подавляющего количества пользователей. Создание графических решений с использованием новейшей 45-нм производственной технологии Intel обеспечивает значительное повышение производительности на ватт. Технология биннинга (binning) позволяет попарно соединять ядра центрального процессора и ядра графической системы. Интеграция процессора и графической подсистемы также приводит к уменьшению потребления энергии.
Кроме всего вышеперечисленного, вместо статического распределения энергии Intel внедряет принцип динамического управления энерговыделением для оптимального управления нагрузкой на центральный процессор и графическое ядро в соответствии с потребностями приложений.

Архитектура центрального процессора
В продуктах с микроархитектурой Nehalem повышена эффективность выполнения команд по сравнению с процессорами на базе предыдущего поколения микроархитектуры, что позволяет выполнять вычисления без избыточной конвейерной обработки данных.
В микроархитектуре Nehalem реализован набор инструкций SSE4.2 для увеличения скорости обработки мультимедийных и Web-приложений. Все компоненты новой микроархитектуры разрабатывались с учетом эффективности энергопотребления: новая функция внедрялась только в том случае, если увеличение производительности более 1% достигается увеличением потребляемой энергии менее 1%.
Одним из наиболее наглядных примеров эффективности новой микроархитектуры является многопотоковая обработка данных: архитектура Nehalem представляет собой сложный механизм, способный исполнять несколько программных потоков одновременно. В ходе разработки процессорной микроархитектуры следующего поколения Nehalem, инженеры Intel изучили альтернативные подходы для многопотоковой обработки, включая Switch on Event MT (SoEMT). В результате была внедрена двухканальная одновременная многопотоковая обработка (SMT), которая позволяет использовать каждое ядро физического процессора как два параллельно действующих логических процессора.
Другим примером эффективности новой микроархитектуры является ускорение аппаратной технологии виртуализации, которая все более широко применяется в серверах.

Управление питанием
На сегодняшний день увеличение числа ядер процессора не приводит к увеличению эффективности работы приложений, которые не поддерживают обработку нескольких потоков. В данном случае страдает и энергоэффективность, поскольку при выполнении однопоточных приложений используется только одно ядро многоядерного процессора, а незадействованные ядра «греются» впустую.
Intel внедряет более эффективную систему управления работой ядер процессора. Микроархитектура Nehalem предусматривает инновационную систему управления питанием и тактовой частотой загруженных и простаивающих ядер, которая позволит в значительной степени сократить расход энергии незадействованными в обработке приложений ядрами, обеспечивая тем самым низкий уровень энергопотребления процессора. Кроме того, подобная система управления питанием позволяет повысить эффективность работы операционной системы и приложений.

Инновационные технологии производства микросхем
Высокопроизводительные процессоры Intel на базе микроархитектуры Nehalem станут первыми процессорами компании, разработанными за последние 20 лет, в которых используется статическая КМОП-технология для всех каналов передачи данных и управления. Для практической реализации данного подхода в Nehalem были использованы переработанные версии ключевых алгоритмов, таких как, к примеру, декодирование длины команды.
Возможность микросхем работать при низком напряжении питания значительно повышает эффективность энергопотребления, так как потребление энергии снижается в бóльшей степени, чем производительность, что ведет к значительному увеличению показателя производительности на ватт. В архитектуре Nehalem используются инновации в области массивов памяти, слоев питания и принципов коррекции ошибок, что позволяет в значительной степени понизить рабочее напряжение питания.
Процессоры на основе микроархитектуры Nehalem также имеют гораздо более высокую плотность размещения транзисторов на кристалле по сравнению с процессорами нынешнего поколения. Это достигается за счет инновационных методик в области массивов памяти и средств компоновки.

Производственная технология
Преимущества в отношении производительности на ватт передовой 45-нм производственной технологии Intel с использованием диэлектрика high-k на основе гафния и металлического затвора всем известны. Но помимо высоких показателей производительности и энергоэффективности, архитектура Nehalem также отличается высокой степенью интеграции.
Когда было принято решение о переносе контроллера памяти на кристалл процессора, инженеры Intel столкнулись с непростой задачей. Центральный процессор использует быстрые транзисторы с тонким слоем нового диэлектрика, тогда как в контроллере памяти применяются транзисторы с толстым слоем диоксида кремния. Поэтому была разработана уникальная технология создания интегральных схем, в которой используются современные фиксирующие и смещающие схемы для создания микросхем памяти. Процессор на базе микроархитектуры Nehalem является первым продуктом Intel, в который встроен контроллер памяти с применением производственного процесса, предусматривающего тонкий слой диоксида кремния.
Интеграция дополнительных скоростных компонентов на центральный процессор неизбежно приводит к увеличению энергопотребления. Для компенсации подобных потерь специалисты Intel разработали структуру транзистора с минимальными токами утечек для всех компонентов архитектуры Nehalem, которые не используются для вычислений (uncore).
По отдельности все эти инновации позволяют в определенной степени улучшить энергоэффективность продукции. Однако архитектура Nehalem является совместно оптимизированной и обеспечивает исключительные показатели энергоэффективности.