Процессоры

От Willamette до Prescott

Не секрет, что производительность любого процессора можно определить как произведение рабочей частоты ядра на число операций за такт. Очевидно, что чем больше каждый из множителей, тем больше произведение. Чисто теоретически наращивать производительность можно как за счет роста частоты, так и количества исполняемых за такт команд. Однако на практике эти два параметра связаны сложной обратно пропорциональной зависимостью.

Увеличение числа исполняемых за такт команд требует специального дизайна ядра, сложного анализа взаимозависимостей команд, что ведет к резкому повышению числа логических элементов в ядре. Серьезным препятствием служит сам код программ, ограничивающий распараллеливание используемых алгоритмов.

Для повышения рабочей частоты ядра требуется оптимизировать дизайн таким образом, чтобы на каждой стадии работы процессора выполнялось примерно одинаковое количество операций. В противном случае наиболее нагруженный элемент становится тормозом, не давая наращивать частоту. Рост частот всегда ведет к повышению тепловыделения. Поэтому архитектура процессора, реализованная согласно текущим технологическим нормам, имеет верхний предел рабочих частот. Например, для процессора Pentium 4 на ядре Northwood (технорма 130 нм) верхним пределом стала частота 3,4 ГГц. Дальнейший «разгон» стал возможен с переходом на более жесткие технологические нормы 90 нм в ядре Prescott. Но этот источник увеличения производительности не бесконечен. Например, ядро Prescott позволило поднять частоту всего до 3,8 ГГц.

Вообще при развитии архитектуры процессоров х86 корпорация Intel стремилась увеличить как количество команд, исполняемых за такт, так и рабочую частоту ядра. Каждое новое поколение процессоров (80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro) могло исполнять больше команд за такт, чем предыдущее. При этом с улучшением технологического процесса обычно росла и частота процессоров. Другими словами, постепенно увеличивались оба множителя, что приводило к быстрому росту производительности. Так продолжалось до тех пор, пока частотный потенциал микроархитектуры Р6 не был практически исчерпан, то есть до частоты 1400 МГц. Вершиной развития этой микроархитектуры стал процессор Pentium III-S. Хотя его уровень производительности был весьма достойным, по многим параметрам он уступал процессорам Athlon компании AMD.

На смену Р6 пришла архитектура NetBurst процессора Pentium 4, ознаменовавшая изменение приоритетов в разработке ядра. Усилия были сосредоточены на том, чтобы при одинаковом с Р6 технологическом процессе получить более высокие рабочие частоты. С маркетинговой точки зрения это был правильный выбор. Пользователи, убежденные в том, что «больше» означает «лучше», проголосовали кошельком за новые приоритеты. Началась гонка за мега- и гигагерцы, в которой Pentium 4 однозначно положил на обе лопатки сначала Athlon, а затем Athlon ХР. Развитие идеологии NetBurst можно проследить по микроархитектуре сменявших друг друга ядер Willamette, Northwood и Prescott.

На блок-схеме ядра Willamette представлены основные функциональные блоки процессора.

(1) Исполнительный участок (Back End) с исполнительными устройствами и обслуживающими их элементами.

(2) Подготовительный участок (Front End) с устройствами, отвечающими за декодирование инструкций и своевременную их подачу на исполнительный участок. Сюда же входит группа устройств, обеспечивающих некоторые специфические возможности: блок предварительной выборки (Prefetch), блок предсказания переходов (Branch Prediction Unit).

(3) Подсистема памяти (Memory Subsystem), управляющая загрузкой и подачей данных на участки.

 

Блок-схема ядра Willamette
Яндекс.Метрика