Буря в песках. Изучаем новую процессорную архитектуру Intel Sandy Bridge

Теория Буря в песках. Изучаем новую процессорную архитектуру Intel Sandy Bridge 026.02.2011 02:09  |  «…Sandy Bridge логическое развитие идей Intel. Множество улучшений в ядрах, более быстрая графика, гибкое управление энергопотрeблением и разгоном. В общем, традиционное обновление архитектуры: вроде то же самое, но работает лучше…» Теория

Компания Intel продолжает следовать стратегии развития «Тик-так» (Tick-Tock), принятой в 2006 году. Согласно этой стратегии, цикл разработки делится на два этапа, «тик» и «так»: в один год (на счет «тик») процессоры переводят на новые нормы производства, а еще через год (на «так») выпускают новую архитектуру.

В этом году часики Intel сделали «так»: на CES 2011 компания представила процессоры Sandy Bridge. Производитель подробно рассказал о новой архитектуре, похвалился достижениями и объявил сразу три линейки кристаллов. Сейчас мы будем с ними разбираться и тестировать — но для начала вспомним, в каком ключе Intel развивала процессоры последнюю пару лет.

Вчера

В 2008 году компания представила переработанные Core 2 Core i7-9х0 на архитектуре Nehalem. С них Intel начала эксперименты с интеграцией, перенеся контроллер памяти с материнской платы на кристалл.

В 2009 году вышла линейка Lynnfield, бюджетная версия Nehalem. В ней под крышку кристалла переместили северный мост чипсета: к контроллеру памяти подселили чип PCIe 2.0.

В начале 2010-го появилось семейство Clarkfield. С ним Intel перешла с 45 на 32-нм техпроцесс и добавила в процессор самую настоящую видеокарту. Графика делалась по 45-нм нормам, стояла отдельно от процессорных ядер и с грехом пополам запускала игры пятилетней давности, но впечатление производила будь здоров.

Sandy Bridge логическое развитие идей Intel. Множество улучшений в ядрах, более быстрая графика, гибкое управление энергопотрeблением и разгоном. В общем, традиционное обновление архитектуры: вроде то же самое, но работает лучше. Глобальных изменений почти нет. Просто сказать «вот тут стало больше, поэтому работает быстрее» не получится, надо разбираться с каждой мелочью и залезать в основы работы компьютера. Чтобы облегчить восприятие статьи, мы подготовили множество поясняющих врезок, к которым и рекомендуем обращаться во время чтения основного текста.

Новая память

Начнем с процессорных ядер. Первое изменение сделали в блоке Front-End (см. врезку «С немецким педантизмом») добавили кэш-память L0. Стоит она сразу после декодеров и записывает все входящие микрооперации с блока Front-End. Приступая к работе над новой задачей, процессор обращается к кэшу L0 и проверяет, нет ли там нужных инструкций. Если есть, то забирает их напрямую из кэш-памяти. Если нет, то дает сигнал блоку Front-End и работает по старой схеме. Прелесть подхода в том, что, когда нужная микрооперация найдена, Front-End отключается. В итоге экономится и время, и энергопотрeбление.

Никакого алгоритма работы у L0-кэша нет. Сюда записывается все подряд, но за счет того, что L0-кэш хранит до 1500 микроопераций, шанс попадания, по словам Intel, составляет порядка 80%.

С немецким педантизмом

Блок Front-End также называется блоком предварительной выборки. Он отвечает за общение программы с процессором, своевременно загружает нужные данные и объясняет кристаллу, что надо делать. Положим, вы сказали процессору перемножить два числа. Блок предварительной выборки загрузит из памяти и переведет на понятный процессору язык нужные числа, расшифрует, что такое умножение, и покажет, на каких блоках нужно сделать эту операцию. Последние пару пунктов он запишет в виде микроопераций, которые в Sandy Bridge теперь хранятся в памяти L0.

Ясновидящий

Вслед за блоком Front-End переработали блок предсказания ветвлений (см. врезку «На кофейной гуще»): увеличили объем памяти и придумали новую систему записи удачных предсказаний. Если в Nehalem каждую ветку программы помечали в таблице двумя битами (правильно/неправильно), то теперь на одно «правильно» записывают несколько веток. То есть объем таблицы тот же, а полезной информации больше. Экономнее стали обращаться и с кэш-памятью. Раньше на адрес ветки место в L1-кэше выделяли с запасом теперь, в Sandy Bridge, каждый адрес занимает ровно столько, сколько ему нужно, ни одного байта не тратится зря.

Все это увеличенная память, новый метод записи и отказ от фиксированного размера адреса должно повысить процент удачных предсказаний и снизить частоту сброса памяти. А это значит, что ядра станут реже считать ненужные ветки и программа будет выполняться быстрее.

Без очереди

Сильнее всего в Sandy Bridge переделали блок Out-of-Order (см. врезку «Первый пошел»), добавив физический регистр файлов такой шкаф с ящиками. Перед входом в Out-of-Order инструкции складывают в него свои данные, а на выходе их забирают. Таким образом разгружается шина данных, а инструкции проскакивают Out-of-Order налегке.

Эта схема значительно ускорила работу блока внеочередного исполнения и позволила Intel подключить поддержку инструкций AVX (Advanced Vector Extensions). Новый набор должен заменить устаревшие инструкции SSE (Streaming SIMD Extensions) и расширить возможности SIMD-блоков. В отличие от SSE, инструкции AVX работают не с 128-, а с 256-бит регистрами. Это увеличивает точность вычислений и позволяет одновременно работать с большим количеством данных. Иными словами, программистам будет проще писать программы, а у нас будут быстрее работать графические, звуковые, видео и тому подобные проигрыватели или редакторы. Сейчас AVX поддерживают лишь несколько программ, но Intel возлагает на технологию большие надежды и всячески поощряет ее использование.

Интересно, что для введения AVX не пришлось менять SIMD-блоки они все так же работают с 128-битными регистрами, а для расчета AVX просто объединяют усилия. То же самое происходит и с памятью L1, в которой расположены регистры. Как и в Nehalem, в Sandy Bridge память связана с блоком Front-End двумя шинами. В старой архитектуре одна отвечала за передачу, а вторая за прием данных. Теперь они работают в обе стороны: когда нужно передать сразу 256-бит информации, объединяются и загружают в SIMD нужное количество данных.

На этом изменения в процессорных ядрах заканчиваются. Как видите, никакой революции: тут добавили, там улучшили, и все вместе стало работать быстрее. Давайте теперь посмотрим, что Intel придумала в остальной части процессора.

На кофейной гуще

Блок предсказания ветвлений одна из важнейших частей современного процессора. Он не дает простаивать блоку Front-End. Предсказатель угадывает, какую ячейку памяти и инструкцию может запросить программа в следующий момент, и заставляет процессор просчитывать ее заранее. Возьмем для примера автомобильный конвейер. Каждый раз, когда заканчивается сборка кузова, рабочие устанавливают в него сиденья. Блок предсказаний улавливает такие закономерности и, пока автомобиль еще собирается, отправляет заказ на кресла, выдает рабочим инструкции. Конечно, бывает, что в автомобиль требуются не простые сиденья, а с обогревом, и тогда время на заказ и сборку тратится зря. Но по сравнению с тем, что удается сэкономить на верных заказах, эта ошибка кажется мелочью. Чтобы реже ошибаться, предсказатель переходов ведет две таблицы: в одной хранит информацию о том, откуда берутся кресла, во второй возможные инструкции. Каждый прогноз предсказатель помечает двумя битами (правильно/неправильно), а затем сверяет таблицы и выводит закономерности скажем, о том, что подогрев нужен только на каждую третью машину, а кресла каждый раз. Чем дольше предсказатель наблюдает за программой, тем реже он ошибается.

Графика

Графическое ядро на процессорах Clarkdale вызывало противоречивые чувства. С одной стороны, процессор и видеокарта в одном флаконе это круто: торжество технологий. С другой игровому компьютеру с дискретной видеокартой встроенное ядро как собаке пятая нога, а платить за него все равно приходится.

С Sandy Bridge все то же самое: новые процессоры по умолчанию оснащены графическим ядром. Только теперь оно создается по 32-нм технологии и стоит на одном кристалле с процессорными ядрами.

Intel представила два графических процессора HD Graphics 2000 и HD Graphics 3000. Различие между ними в количестве потоковых ядер (Execution Units). У младшей версии их шесть, у старшей двенадцать. К сожалению, сравнить HD Graphics не с чем, слишком они отличаются от карт NVIDIA и AMD. Тут нет видеопамяти используется кэш L3. Ядра работают только с жестко заданными функциями никакого GPGPU. Пожалуй, единственная понятная нам здесь хаpaктеристика это тактовая частота. Новая графика работает на скорости 650 или 850 МГц и может разгоняться до 1100, 1250 и 1350 МГц.

Хотя Intel утверждает, что новое графическое ядро в два раза быстрее встроенного в Clarkdale, будущее HD Graphics нам видится смутно. С дискретными видеокартами ей не соревноваться проиграет. Поддержки DirectX 11 нет, только DirectX 10.1. До офисных компьютеров Sandy Bridge доберется не скоро. Пожалуй, единственное, где HD Graphic придется к месту, это ноутбуки. Мобильные процессоры оснащают HD Graphics 3000, топовой версией, а значит, поиграть можно будет даже на слабом ноутбуке.

Первый пошел

Блок Out-of-Order (блок внеочередного исполнения операций) следит за тем, чтобы операции выполнялись только при наличии нужных данных и процессор не простаивал почем зря. Представьте себе супермаркет. Вы взяли бутылочку воды и хотите ее оплатить. Подходите к кассе, а там стоит человек с доверху набитой тележкой. И вы ждете, пока он выложит все продукты, наберет жвачек, конфет... в общем, тратите время. А если бы рядом стоял специальный человек Out-of-Order, то он бы вам сказал: «Проходите, оплачивайте свою воду». И касса бы не простаивала, и вы свое время не теряли. С программами то же самое. Блок Out-of-Order разбирается, что уже можно считать, а что пока следует отложить. При этом он не видит разницы между началом или серединой программы. Главное не давать простаивать вычислительным ядрам, а уж собрать полученные данные и выстроить их в нужном порядке можно и потом.

Агент Смит

Помимо графического ядра, под крышкой кристалла стоит еще и северный мост. Теперь он называется System Agent, а не un-core, как в Lynnfield и Clarkdale. В него входит двухкaнaльный контроллер памяти, PCIe 2.0, шина FDI для вывода изображения с графического ядра и чип управления питанием (Power Control Unit).

Изменений немного. Контроллер памяти научили работать с планками DDR3 на частоте до 1333 МГц и через множитель разгонять их до 2133 МГц. Шина FDI теперь поддерживает DisplayPort 1.2 и HDMI 1.4 можно смотреть Blu-ray 3D. Чип PCIe 2.0 оставили прежним: доступно 16 линий, которые можно разделить на два слота PCIe x8. Контроллер PCU умеет гибко регулировать частоту и питание как процессора, так и графического ядра, поддерживать баланс температуры и экономить энергопотрeбление любыми возможными способами.

Третье трaнcпортное

Чтобы собрать такое количество компонентов в одно целое, Intel пришлось отказаться от перекрестных шин и придумать кое-что новое. Решение подсмотрели в серверных процессорах Nehalem EX, в которых используется кольцевая шина (Ring Bus). Принцип ее работы можно сравнить с трaнcпортным кольцом. Данные непрерывно двигаются по дороге и делают остановки в нужных местах: у процессорного ядра, в системном агенте, кэш-памяти L3, видеокарте и так далее. Прелесть в том, что количество остановок не ограничено, дополнительные пункты можно добавлять до бесконечности.

В Sandy Bridge шина разделена на четыре кольца: данные, запросы, мониторинг состояния и подтверждение. Каждое может переносить по 32 байта за такт и работать на частоте процессора. Пиковая пропускная способность составляет 96 Гбит/с. К сожалению, при простое и снижении частоты ядер скорость шины падает, и из-за этого может пострадать работа графического процессора. То же самое касается и L3-кэша.

Одна на двоих

Заставить процессор считать быстрее сложно. Да, можно вводить всякие предсказатели, внеочередное исполнение и тому подобное, но скорость работы все равно зависит от времени выполнения одной операции. Долгое время производительность увеличивали, наращивая частоту работы или количество выполняемых в секунду операций. Этот метод эффективный, но тупиковый: бесконечно увеличивать скорость невозможно. Поэтому придумали новый способ параллельные вычисления. Очередной пример. Вам дали калькулятор и попросили сложить три пары чисел. Вы берете одну пару, складываете и записываете результат, другую складываете и записываете результат, третью складываете и записываете результат. Способ верный, но долгий. Чтобы ускорить процесс, можно позвать еще двух человек, вручить каждому по паре чисел и сложить все одновременно. Так за один такт вам удастся выполнить всю задачу. Главное в такой ситуации позаботиться, чтобы комaнда «складывать» и числа были доступны одновременно всем действующим лицам. Такой способ увеличения производительности называется SIMD (Single Instruction Multiple Data, «Одна инструкция много данных»). В ядра процессора ставят несколько вычислительных блоков и с помощью специальных инструкций (SSE, AVX) заставляют их работать параллельно. Таблицу с числами для них хранят в специальной ячейке памяти регистре.

Запомни

В Sandy Bridge L3-кэш переименовали в Last Level Cache (LLC) и разделили на части по количеству процессорных ядер в кристалле. Каждый кусочек L3-кэша управляется независимо и для экономии энергии может быть переведен в спящий режим. Компоненты системы связаны с LLC кольцевой шиной, а процессорные ядра прямым контактом. За заполнение L3-кэша отвечает системный агент, который следит за распределением свободного места, деля его между основными и графическим ядрами.

Как и кольцевая шина, кэш-память L3 работает на частоте процессора. При максимальной нагрузке пропускная способность взлетает до небес, при простое падает, и в этом случае опять страдает графическое ядро.

Большая идея

Понятное дело, Sandy Bridge это не только изменения и улучшения. Intel не была бы собой, если не придумала что-нибудь эдакое. Речь идет о Quick Sync, также известном как Intel Media Engine, встроенном движке для работы с видео.

Все мы знаем, что Full HD-видео это злейший враг процессора, потому что загружает его на 100% и тормозит всю систему. Этим грамотно пользовались NVIDIA и AMD: потоковые процессоры их видеокарт забирали на себя задачи декодирования и разгружали кристалл. Та же ситуация была и с перекодированием видео в другой формат: процессор тратил на это дело по полтора часа, видеокарты справлялись с задачей за 20-30 минут. В итоге сложилось мнение: хочешь работать с видео покупай видеокарту.

Газу!

Технология Turbo Boost впервые появилась в процессорах Nehalem Core i7-9x0. Принцип у нее простой: если часть ядер простаивает, то у активных автоматически поднимается частота. Делается это за счет того, что при простое ядра не потрeбляют энергию и создается запас по энергопотрeблению (TDP). Его-то и используют для увеличения частоты работы.

Intel решила с этим бороться. В графический движок Sandy Bridge встроили специальные ядра с жестко заданными алгоритмами декодирования MPEG-2, H.264 (AVC), VC-1 и других популярных форматов. Обработку движений, деинтерлейсинг, цветокоррекцию взвалили на плечи потоковых ядер (тех самых Execution Units). И вуаля! процессор научился проигрывать до пяти Full HD-потоков без нагрузки на основные ядра. Правда, он округляет скорость воспроизведения до 24 кадров в секунду, что на больших телевизорах может приводить к эффекту мыльной оперы, когда актеры двигаются рывками, но это уже мелочи.

За счет огромной скорости декодирования Sandy Bridge отлично справляется и с переводом фильмов в другой формат, делая это пpaктически на лету.

Единственная проблема состоит в том, что Quick Sync работает только при активном графическом ядре. Когда изображение подается с дискретной видеокарты, медиадвижок недоступен. Будем надеяться, Intel это исправит.

Разогнался

Отдельно поговорим о разгоне. Как обычно, есть два варианта автоматический и через BIOS. Начнем с первого, а именно с технологии Turbo Boost, которую в Sandy Bridge обновили до версии 2.0.

В первом Turbo Boost ядра процессора разгонялись в зависимости от запаса TDP. Скорость удавалось повысить всего лишь на 200-300 МГц, что пpaктически не ощущалось. Turbo Boost 2.0 работает по новому принципу. Она отслеживает текущую температуру процессора и, как только появляется определенный запас, повышает частоту на 400-500 МГц. В таком режиме кристалл работает, пока не нагреется, а затем выходит на стандартную скорость. Дальше все повторяется: разгон, нагрев, понижение частот. По словам Intel, череда кратковременных прибавок скорости дает больший прирост производительности, чем постоянная работа с учетом TDP.

Циферки

Intel не стала менять названия процессорных линеек, оставив Sandy Bridge знакомые нам Core i3, i5 и i7. Отличить старые кристаллы от новых не составляет труда: у первого поколения процессоров маркировка трехзначная (например, Intel Core i5-661), а у второго четырехзначная (Intel Core i5-2500). Правда, небольшая пyтaница все равно остается, потому что нумерация у настольных и мобильных моделей сквозная. Скажем, настольный процессор с клеймом «2400» относится к линейке Core i5, а мобильный с индексом «2410M» уже к Core i3. В остальном маркировка свеженьких Sandy Bridge очевидная: 1 Серия: i7 топовые процессоры, поддерживают все технологии Intel, имеют четыре ядра и оснащаются кэш-памятью L3 объемом 8 Мб; i5 средний ценовой сегмент. Процессоры могут быть двухъядерными и четырехъядерными, лишены поддержки Hyper-threading, Virtualization Technology и Trusted Execution, оснащаются 3 или 6 Мб кэш-памяти L3; i3 младшая серия Sandy Bridge, выпускается только в двухъядерном варианте и с L3-кэшем объемом 3 Мб. 2 Указывает на второе поколение серии Core i-Х, у всех процессоров Sandy Bridge одинаково. 3 Косвенно свидетельствует о положении процессора в серии. Чем старше цифра, тем быстрее процессор. Не влияет на поддерживаемые технологии. 4 Версия: K процессор с разблокированным множителем; M мобильный процессор; S процессор со сниженным до 65 Вт энергопотрeблением; T процессор со сниженным до 45/35 Вт энергопотрeблением, самый экономичный и медленный в серии.

Оплакивание

С ручным разгоном все не так радужно. Как известно, частота процессора это произведение скорости шины (BCLK) и множителя ядра. Соответственно, разгонять процессор можно, либо увеличивая значение BCLK, либо изменяя множитель. В прошлых процессорах Intel множитель был разблокирован только в дорогих моделях линейки Extreme Edition. Поэтому все работали с шиной, и результаты всегда были отличными: даже младшие Core i7 легко поднимались с 2,66 до 4 ГГц. С Sandy Bridge про это можно забыть, разгон по шине Intel заблокировала.

Компания завязала все компоненты системы на один генератор частоты (BCLK), и теперь при разгоне процессорных ядер вверх ползут частоты встроенной видеокарты, кольцевой шины, L3-кэша, контроллера памяти, шин PCIe и так далее. В общем, всего того, что для разгона никак не предназначено и при малейшей попытке поднять частоту сбрасывает настройки. Обойти это невозможно.

Теперь единственный вариант работать с множителем. Intel уже объявила о выпуске соответствующих процессоров под разгон и продает их на 700-900 рублей дороже стандартных моделей.

Intel представляет

На CES 2011 Intel представила 29 процессоров на новой архитектуре. Пятнадцать из них анонсированы для ноутбуков, четырнадцать для настольных компьютеров. Intel не стала придумывать новые линейки и оставила известные Core i3, i5 и i7. Изменилась только маркировка: название модели теперь записывается не тремя, а четырьмя цифрами (см. врезку «Циферки»). Самый дешевый настольный процессор Sandy Bridge, Core i3-2100, продают за 4000 рублей, самый дорогой, Core i7-2600K, за 12 000 рублей. Кристаллов по 1000 евро за штуку нет. В верхнем ценовом диапазоне Intel оставила старые Nehalem под чипсет X58 Express.

Помимо стандартных моделей, Intel представила два процессора с разблокированным множителем Core i7-2600K и Core i5-2500K. И это почему-то единственные кристаллы с топовой HD Graphics 3000, хотя что с ней делать оверклокерам непонятно. Как и непонятно, зачем Intel придумала для Sandy Bridge новый сокет. Чем не подошел LGA1156, толком не объясняют просто предлагают купить новую материнскую плату с LGA1155.

Продолжим

Сейчас в продаже есть два чипсета H67 Express и P67 Express. По сравнению с пятой серий изменений немного: портов USB 2.0 теперь не 12, а 14 штук, появились два контакта SATA Rev. 3, исчезла поддержка PCI. Все остальное по-старому: есть LAN и 8 линий PCIe.

Чипсет P67 Express позиционируется для игровых систем. Он не работает со встроенной в процессор графикой, но может разделить 16 линий PCIe 2.0 на два слота PCIe x8. H67 Express этого не умеет, зато оснащен шиной FDI и видеовыходами DisplayPort, HDMI, DVI и VGA.

Разгонять процессоры разрешают только на P67 Express, H67 разблокированного множителя не видит. Почему неясно, ведь только кристаллы с суффиксом «K» оснащены топовой HD Graphics.

Все эти несуразности Intel должна разрешить в чипсете Z68 Express, информация о котором недавно утекла в интернет. Это будет копия H67, но уже с поддержкой разгона и двух слотов PCIe x8.

* * *

В теории Sandy Bridge выглядит многообещающе. Огромное количество доработок должно обеспечить ощутимый прирост производительности. Встроенное графическое ядро отличное решение для офисных компьютеров и ноутбуков. Ответ AMD и NVIDIA в работе с видео вообще выше всяких похвал. Одним словом, в Sandy Bridge нет ничего революционного, но количество и качество переработок впечатляет.

Картину портит только странная политика Intel. Зачем оверклокерским процессорам HD Graphics 3000? Была ли необходимость в смене сокета? Почему H67 Express не видит разблокированного множителя и не может работать с двумя видеокартами? Все эти мелочи немного портят общее впечатление, но не будем делать поспешных выводов, сначала тесты.