Путівник по процесорам intel sandy bridge

В попередньому "Путівнику по новим процесорам Intel", Опублікованому приблизно рік тому, ми говорили про мікроархітектурі Nehalem, яка прийшла на зміну Core в кінці 2008 року. У цьому огляді мова піде про архітектуру Sandy Bridge, яка в самий найближчий час повинна повністю замінити Nehalem.

На сьогоднішній день чіпи на базі Sandy Bridge представлені у всіх лінійках процесорів Intel, включаючи серверні Xeon, дестопние і мобільні Core i3 / 35 / i7, Pentium і Celeron і "екстремальні" Core i7 Extreme. Незадовго до публікації цієї статті, 22 травня 2011 року, були представлені ще сім нових процесорів на основі Sandy Bridge.

У чому ж полягають принципові відмінності Sandy Bridge від Nehalem і в чому полягають особливості та переваги нової мікроархітектури Intel? Коротко ці відмінності такі: оновлене графічне ядро в складі "системного агента" розташоване на одному кристалі з обчислювальним, передбачені новий буфер мікрокоманд L0, що розділяється кеш L3, модернізована технологія Turbo Boost, розширений набір інструкцій SIMD AVX і перероблений двоканальний контролер оперативної пам`яті DDR3 1333 МГц . Разом з новою архітектурою з`явився і новий процесорний роз`єм LGA 1155.

Одне з головних конструктивних відмінностей Sandy Bridge від Nehalem - розміщення обчислювальних ядер і північного моста (системного агента) на одному кристалі. Нагадаємо, що в Nehalem сам ЦП і північний міст розташовувалися під загальною кришкою, але фактично розміщувалися на самостійних чіпах, які, до того ж, були виконані за різними технологічними нормами: ЦП - по 32-нм, а північний міст - по 45-нм . У Sandy Bridge це єдиний кристал, виконаний по 32-нм техпроцесу, на якому знаходяться обчислювальні ядра, графічне ядро, контролери оперативної пам`яті, PCI Express, електроживлення (Power Control Unit, PCU) і блок відеовиходу.

Відео: Центральний процесор: Intel 2011 р Sandy Bridge

Новий набір SIMD-інструкцій в чіпах Sandy Bridge отримав назву AVX - Advanced Vector Extensions, тобто "розширені векторні інструкції". Фактично це чергове покоління SIMD-інструкцій (Single Instruction, Multiple Data - "одиночний потік команд, множинний потік даних" SSE5, альтернативна набору x86, розробленим в AMD. Розрядність регістрів XMM в інструкціях AVX збільшено вдвічі з 128 до 256 біт, з`явилися 12 нових інструкцій з підтримкою четирёхоперандних команд. Підтримуються технологія апаратного шифрування Advanced Encryption Standard (AES) і система віртуалізації Virtual Machine Extensions (VMX).

Незважаючи на схожу конструкцію, у чіпів Sandy Bridge більше виконавчих блоків, ніж у Nehalem: 15 проти 12 (див. Блок-схему). Кожен виконавчий блок підключений до планувальником інструкцій через 128-бітний канал. Для виконання нових інструкцій AVX, що містять 256-розрядні дані, одночасно використовуються два виконавчих блоку.

Чіпи Sandy Bridge Cпособность обробляти до чотирьох інструкцій за такт завдяки чотирьом декодерів, вбудованим в блоки вибірки команд. Ці декодери перетворять інструкції x86 в прості RISC-подібні микроинструкции.

Найважливіше нововведення в процесорах Sandy Bridge - це так званий "кеш нульового рівня" L0, в принципі не було в процесорах попереднього покоління. Цей кеш здатний зберігати до 1536 декодованих мікроінструкцій: його зміст полягає в тому, що коли виконується програма входить в кільцевої цикл, тобто повторно виконує одні й ті ж інструкції, не потрібно заново декодувати одні і ті ж інструкції. Така схема дозволяє помітно підвищити продуктивність: за оцінками фахівців Intel, L0 використовується в 80% машинного часу, тобто в переважній більшості випадків. Крім того, при використанні L0 відключаються декодери і кеш-пам`ять першого рівня, а чіп споживає менше енергії і виділяє менше тепла.

У зв`язку з появою в чіпах Sandy Bridge "кеша нульового рівня" часто згадують трасувальні кеш (trace cache) "ветеранів гонки гігагерц" - процесорів Pentium 4 на базі архітектури NetBurst. Тим часом, ці буфери працюють по-різному: в трасування кеші інструкції записуються точно в такому порядку, в якому вони виконувалися, тому в ньому можуть кілька разів повторюватися одні й ті ж інструкції. У L0 зберігаються поодинокі інструкції, що, зрозуміло, більш раціонально.

Зазнав помітних змін блок пророкування розгалужень, який отримав буфер передбачення результату розгалужень (branch target buffer) подвоєного обсягу. Крім того, в буфері тепер використовується спеціальний алгоритм стиснення даних, завдяки чому блок здатний готувати великі обсяги інструкцій, тим самим підвищуючи продуктивність розрахунків.

Підсистема пам`яті в Sandy Brigde була також оптимізована для роботи з 256-бітними інструкціями AVX. Нагадаємо, що в Nehalem використовувалися виділені порти завантаження, зберігання адрес і зберігання даних, прив`язані до окремих дісптчерскім портам, що означає можливість завантаження 128 біт даних з кеш-пам`яті L1 за такт. У Sandy Brigde порти завантаження і зберігання при необхідності можуть змінювати призначення і одночасно виступати в ролі пари портів завантаження або зберігання, що дозволяє працювати з 256 бітами даних за такт.

Для зв`язку компонентів чіпа, тобто обчислювальних ядер, кеш-пам`яті L3, графічного ядра і системного агента (контролерів пам`яті, PCI Express, харчування та дисплея), Sandy Bridge використовується кільцева шина (ring interconnect). За основу була взята швидкісна шина QPI (Quick Path Interconnect, пропускна здатність до 6,4 Гбайт / с на частоті 3,2 ГГц), вперше реалізована в чіпах Nehalem Lynnfield (Core i7 9xxx для Socket LGA1366), адресованих ентузіастам.

Відео: Центральний процесор: Intel 2012 р Ivy Bridge

По суті кільцева шина в Sandy Bridge є чотири 32-Байна кільця: шини даних, шини запитів, шини підтвердження і шини моніторингу. Процедура розгляду заяв про здійснюється на частоті роботи обчислювальних ядер, при цьому при тактовій частоті 3 ГГц пропускна здатність шини досягає 96 Гбайт в секунду. При цьому система автоматично визначає найкоротший шлях передачі даних, забезпечуючи мінімальну латентність.

Використання кільцевої шини дозволило іншим способом реалізувати кеш-пам`ять третього рівня L3, яка в Sandy Bridge отримала назву LLC (Last Level Cache, тобто "кеш останнього рівня"). На відміну від Nehalem, тут LLC не є загальним для всіх ядер, але при цьому він може при необхідності розподілятися між усіма ядрами, а також графікою і системним агентом. Важливо відзначити, що хоча для кожного обчислювального ядра виділено свій сегмент LLC, цей сегмент не прив`язаний жорстко до "свого" ядра і його обсяг може за допомогою кільцевої шини розподілятися між іншими компонентами.

При переході на Sandy Bridge в Intel привласнили всім компонентами центрального процесора, які не належать до власне обчислювальним ядрам, загальне назвою System Agent, тобто "системний агент". Фактично це все компоненти так званого "північного моста" набору системної логіки, однак ця назва все-таки більше підходить окремій мікросхемі. У застосуванні до Nehalem використовувалося дивне і явно невдалий найменування "Uncore", тобто "неядро", так що "системний агент" звучить набагато доречніше.

До основних елементів "системного агента" слід віднести модернізований двоканальний контролер оперативної пам`яті DDR3 до 1333 МГц, контролер PCI Express 2.0 з підтримкою однієї шини x16, двох шин x8 або однієї шини x8 і двох x4. У чіпі є спеціальний блок управління живленням, на основі якого реалізована технологія автоматичного розгону Turbo Boost нового покоління. Завдяки цій технології, котра враховує стан як обчислювальних, так і графічних ядер, чіп при необхідності може істотно перевищувати свій термопакет на час до 25 секунд без пошкодження процесора і шкоди для працездатності.

У Sandy Bridge використовуються графічні процесори нового покоління Intel HD Graphics 2000 і HD Graphics 3000, які можуть складатися з шести або дванадцяти виконавчих блоків (execution units, EU), в залежності від моделі процесора. Номінальна тактова частота графіки становить 650 або 850 МГц, при цьому вона може підвищуватися до 1100, 1250 або 1350 МГц у режимі Turbo Boost, який тепер поширюється і на відеоприскорювач. Графіка підтримує програмний інтерфейс Direct X 10.1 - розробники вважали зайвої підтримку Direct X 11, справедливо вважаючи, що шанувальники комп`ютерних ігор, де дійсно затребуваний цей API, в будь-якому випадку віддадуть перевагу значно більш продуктивну дискретну графіку.

Маркування процесорів Sandy Bridge досить проста і логічна. Як і раніше, вона складається з цифрових індексів, які в деяких випадках супроводжуються літерним. Відрізнити Sandy Bridge від Nehalem можна по назві: індекс нових чіпів чотиризначний і починається з двійки ( "друге покоління"), а старих - тризначний. Наприклад, перед нами процесор Intel Core i5-2500K. Тут "Intel Core" означає марку, "i5" - серію, "2" - покоління, "500" - індекс моделі, а "K" - буквений індекс.

Що стосується літерних індексів, то по чіпам з мікроархітектури Nehalem відомий один з них це "S" (процесори i5-750S і i7-860S). Він присвоюється чіпам, орієнтованим на домашні мультимедійні машини. Процесори з однаковим числовим індексом відрізняються тим, що моделі з буквеним індексом "S" працюють на трохи меншій номінальній тактовій частоті, але "турбочастота", що досягається при автоматичному розгоні Turbo Boost, у них однакова. Іншими словами, в штатному режимі вони економічніше, а їх система охолодження тихіше, ніж у "стандартних" моделей. Всі нові десктопні Core другого покоління без індексів споживають 95 Вт, а з індексом "S" - 65 Вт.

Модифікації з індексом "T" працюють на ще більш низькій тактовій частоті, ніж "базові", при цьому "турбочастота" у них теж нижче. Термопакет такі процесорів не перевищує 35 або 45 Вт, що цілком порівнянно з TDP сучасних мобільних чіпів.

І, нарешті, індекс "K" означає розблокований множник, що дозволяє безперешкодно розганяти процесор, підвищуючи його тактову частоту.

Ми познайомилися з загальними технічними рішеннями, реалізованими в "настільних" процесорах з архітектурою Sandy Bridge. Далі ми поговоримо про особливості різних серій, вивчимо актуальний модельний ряд і дамо рекомендації, які конкретні моделі можна вважати кращими покупками в своєму класі.