AMD Opteron: 64-битный процессор от AMD

На компьютерном рынке сейчас существует практически два крупных производителя процессоров. Если задать любому из вас вопрос "Какой процессор лучше купить?", то за ним последует множество ответов, но, по сути, преобладать будут два варианта: Intel и AMD. Поклонники этих двух процессорных гигантов давно ломают копья, с пеной у рта доказывая, что процессоры их любимой фирмы и лучше, и производительней. Конечно, каждый из них по-своему прав. За последние четыре года AMD, превратилась из "догоняющей" компании во вполне достойного конкурента, хотя и изредка вызывающего нарекания. Большим успехом этой компании можно назвать процессор Athlon (К7), что нельзя было сказать о К5. Но плохая маркетинговая политика привела к тому, что успех ядра К7 оказался не таким, какого он заслуживал. Продолжая укреплять свои позиции, хотя и слегка задержавшись с выпуском, AMD представила публике преемника К7 – К8 (Hammer). Процессор обладает большим потенциалом и интересной технологией. AMD хорошо поработала с новой микропроцессорной технологией и новым технологическим процессом производства (кремний на диэлектрике, SOI). В результате она представила версию процессоров для рабочих станций/серверов - 64-битный процессор Opteron.

64-битные процессоры

Основные преимущества 64-битной архитектуры микропроцессоров заключаются в доступе к памяти. Если вы возьмёте два идентичных микропроцессора, пусть один из них будет 32-битным, а другой – 64-битным, то последний сможет адресовать намного больший объем памяти, чем 32-битный (2 в 64 против 2 в 32). Для тех клиентов, которых ограничивают объём адресуемой памяти 32-битной архитектуры (4 Гбайт), единственным решением Intel с высоким уровнем производительности является Itanium, однако если вам ещё нужна и высокая производительность в x86 приложениях, то Intel ничего вам не предложит.

Типичными приложениями, базирующимися на 64-битной технологии, можно считать большие базы данных и программы по проектированию - CAD. Если стандартная 32-битная система может адресовать максимум 4 Гбайт, то при 64-битной адресации компьютер получает в своё распоряжение, по меньшей мере, 16 Тбайт. Имейте в виду, что большие базы данных сегодня уже значительно превысили объём в 4 Гбайт.

Чтобы обойти 32-битное ограничение в 4 Гбайт, в Windows 2000 и XP благодаря использованию расширения физических адресов (Physical Address Extension, PAE) и промышленной архитектуры памяти (Enterprise Memory Architecture) позволяется адресация приложениям до 8 Гбайт памяти (Advanced Server) и 64 Гбайт памяти (Data Center Server). Однако подобные решения не являются быстрыми, поскольку они применяют технику, подобную EMS-памяти, как при 16-битных вычислениях. Кроме того, 64 Гбайт всё равно является пределом 32-битных процессоров. Приложения, которым необходим быстрый доступ к базам данных больше 4 Гбайт или доступ к базам выше 64 Гбайт вообще, не могут обойтись без использования 64-битных систем.

AMD Opteron

K8 – первое в мире и пока единственное 64-битное x86-ядро. Что касается Intel, то для своих 64-битных процессоров компания разработала отдельную архитектуру "IA64", в отличие от AMD, которая смогла добавить 64-битную поддержку в виде расширений набора инструкций x86, названную "AMD64". Кардинальное различие заключается в том, что архитектура "IA64" лишена встроенной аппаратной совместимости с х86 кодом. Соответственно, чтобы работать с приложениями, которые увидели свет за последние два десятка лет, процессор (Itanium, Itanium 2 и так далее) использует программный декодер. Opteron же может аппаратно выполнять и обычный 32-битный х86-код. Поскольку аппаратное выполнение намного быстрее медленной программной эмуляции, то и производительность в 32-битных приложениях будет соответствующей. Учтём еще и то, что помимо более быстрой работы 32-битных приложений, К8 предлагает неспешный и удобный способ плавного перехода на 64-битные вычисления, не считая увеличенное адресное пространство для приложений, работающих с большими объемами данных (правда, эта возможность доступна только в 64-битном режиме). Единственно, что для получения всех описанных преимуществ, приложение должно быть откомпилировано с учётом 64-битного режима.

С другой стороны, AMD прошла более простым путем. В отличие от Intel, она не стала выдвигать принципиально новую архитектуру, не особо задумываясь, что же придётся делать лет через 5-7. Она просто взяла за основу ядро х86 и расширила набор инструкций до возможностей адресации 64-битного пространства. К8 работает в двух режимах: первый предназначен для работы с 32- или 16-битными приложениями, в этом случае он практически не отличается от К7. Во втором процессор работает в двух подрежимах: в режиме совместимости, который разработан для запуска 32-битных программ в 64-битной ОС, что позволяет приложениям при работе в Windows (грядущей 64-битной версии) использовать полные четыре гигабайта памяти, не ограничиваясь прежними двумя. В этих двух режимах процессор продолжает использовать восемь обычных 32-битных регистров EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI и ESP. Второй подрежим предназначен для работы только с 64-битными системами, совместимыми с архитектурой х86-64. В нём, собственно, и реализуются все возможности и преимущества новой архитектуры. Архитектура x86-64 расширяет эти восемь регистров с помощью префикса R до 64 бит. Расширенные регистры называются от RAX до RSP. Кроме того, в 64-битном режиме Opteron может получать доступ к восьми регистрам общего назначения GPR (General Purpose Registers) от R8 до R15, которые тоже имеют ширину 64 бита. Для вычислений с плавающей запятой используются восемь 128-битных регистров SSE, а именно с XMM8 до XMM15. То есть помимо увеличенного объёма памяти, приложения могут использовать удвоенное число регистров общего назначения, используемых для хранения промежуточных данных.

Такой подход гарантирует обратную совместимость, что является одним из самых больших преимуществ архитектуры AMD "AMD64" над Intel "IA64", где как вы помните, происходит просто эмуляция 32-битного кода с использованием декодера.

Что нового?

При разработке процессора, у AMD, образно выражаясь, было два выбора: пойти "в длину" или "в ширину". Расширение архитектуры процессора означает увеличение числа исполнительных блоков в ядре, что будет иметь значение только при использовании процессора в корпоративной среде, поскольку "широкое" ядро лучше подходит для параллельных вычислений. Однако K8 будет работать и в качестве настольного процессора, где необходима высокая тактовая частота, поэтому AMD выбрала первый вариант и решила удлинить конвейер.

В K8 AMD улучшила блок предсказания ветвлений K7, и сейчас счётчик истории переходов может содержать до 16.000 вхождений (Athlon XP - 4000). Чтобы использовать преимущество большего числа инструкций, отсылаемых на конвейер между ошибками предсказания ветвлений, процессору необходим более ёмкий буфер хранения инструкций. Буфер, который хранит инструкции "на лету", называется окно планировщика, чем больше ёмкость буфера, тем больше инструкций можно хранить "на лету". Большинство инструкций ветвления применяются в целочисленном коде, поэтому этот планировщик был увеличен. Увеличив окно целочисленного планировщика, AMD смогла добавить K8 ещё несколько ступеней конвейера. Длина конвейера по сравнению с К7 была увеличена с 10 ступеней до 12, в то время как процессор Intel P4 (и Xeon) использует конвейер с 20 ступенями. Но так как архитектура Xeon и Opteron различна, то невозможно оценивать эти процессоры по тактовой частоте. Архитектура Xeon позволяет достигать более высоких тактовых частот за счёт выполнения меньшей работы за такт, так что единственными критериями сравнения могут выступать цена и производительность в приложениях, а не тактовая частота. Сейчас пока выпущены версии К8 с тактовыми частотами 1,4 ГГц, 1,6 ГГц и 1,8 ГГц, номера моделей соответственно 240, 242 и 244. Несколько необычная нумерация, здесь первая цифра обозначает общее число процессоров, которое можно использовать в многопроцессорной среде. Оставшиеся две цифры характеризуют производительность, но каким образом, это остается загадкой, конечно понятно, что 42 лучше, чем 40. Но, что заставило производителя выставить такую маркировку, остается покрыто тайной.

Как и раньше, Opteron незначительно отличается от Athlon, ядро содержит девять функциональных блоков (3 ALU, 3 AGU, FADD, FMUL и FMISC - три целочисленных блока и три блока операций с плавающей запятой), а также три декодера x86, тщательно проработанные AMD. Практически не изменился кэш L1 для инструкций и данных (по 64 кбайт на каждый компонент), хотя сейчас в нём появилась логика ECC. Процессор также приобрел блок команд SSE2, который удвоил количество регистров до шестнадцати. Так как Opteron предназначается для работы в серверной среде с большими объемами памяти, то было увеличено число записей в буферах быстрого преобразования адреса (TLB - Transition Look-aside Buffers). Чем больше входов записано в TLB, тем меньше придется загружать таблицы перевода адресов из основной памяти при передаче физического адреса. По сравнению с ядрами Thoroughbred и Barton, TLB работает с уменьшенными задержками, что повышает скорость.

Физически, ядро AMD Opteron очень похоже на старое ядро Athlon. Одна из инноваций Opteron заключается в добавлении встроенного контроллера памяти, который занимает пространство, отводимое в ядрах Palomino и Thoroughbred под кэш L2. Кстати, размер кэша L2 был увеличен в Opteron до 1 мегабайта (16 путей).

Opteron - первый процессор, имеющий встроенный двухканальный контроллер памяти DDR 333, при этом используется шина памяти DDR 144 бита. Так нам предоставляется возможность использовать процессоры, выполняющие и функции северного моста. Преимущества данной технологии заключаются в следующем: снижение задержек доступа к памяти и работа контроллера с более высокой скоростью. Не так уж и плохо, но если учитывать развитие новых технологий памяти, то в будущем вам придётся менять и процессор, и материнскую плату. Правда есть возможность отключить встроенный контроллер К8 и использовать чипсет для обращений к памяти, но тогда перед вами будет оптимизированный К7 с удлиненным конвейером.

AMD наконец-то снабдила свой процессор встроенным распределителем тепла.

Многопроцессорность

Если рассматривать традиционные решения, то можно выделить одно существенное ограничение. А именно - разделяемая FSB, традиционная многопроцессорная архитектура Intel, где все процессоры используют 64-битную FSB, то есть чем больше процессоров, тем меньшая пропускная способность достанется каждому. AMD делала попытку преодолеть это ограничение, предоставив каждому процессору собственное 64-битное подключение к северному мосту, выпустив первый в мире протокол FSB типа "точка-точка" для компьютеров архитектуры x86. Но чипсет 760МР, реализовавший эту технологию, стал очень дорогим, кроме того, он поддерживал только двухпроцессорную конфигурацию. Разработка не получила большого распространения по причине отсутствия спроса, поэтому на базе данного чипсета так и не была построена четырёхпроцессорная система.

С выпуском К8 AMD исправляет ситуацию, предлагая высокопроизводительное многопроцессорное решение. Вместо распараллеливания FSB, процессоры связываются между собой по интерфейсу HyperThransport, протоколу последовательной шины "точка-точка". Все данные процессора Opteron проходят через интерфейс HyperTransport и встроенный контроллер памяти. Чтобы соседний процессор получил прямой доступ к памяти, к примеру, Opteron использует коммутатор XBAR. Причём этот коммутатор в полной мере задействует 64-битные шины для адресов и команд. Opteron использует три шины шириной 16 бит, по двум шинам он связывается с другими процессорами, по третьей с остальными компонентами системы. Пропускная способность шины составляет 3,2 Гбайт/с в обоих направлениях, В результате общая пропускная способность достигает 6,4 Гбайт/с на порт HyperTransport. Для сравнения, Pentium 4 с 533 МГц FSB обладает скоростью передачи по шине 3,97 Гбайт/с, но только в одном направлении.

Преимущества данного подхода заключаются в том, что восьмипроцессорную систему реализовывать так же легко, как и двухпроцессорную, при этом вы не зависите от чипсета.

Физические параметры

Opteron изготавливается по технологическому процессу 0,13 мкм с использованием технологии "кремний на диэлектрике" (Silicon on Insulator, SOI). Благодаря использованию этой технологии можно достичь более высоких тактовых частот и меньшего тепловыделения.

Площадь кристалла составляет чуть меньше 200 мм2. Перевернув процессор, вы увидите все его 940 ножек, что ставит рекорд в мире x86.

Ещё один интересный момент архитектуры K8 заключается в том, что она была изначально разработана с учётом создания многоядерных процессоров. Процесс довольно прост: AMD изготавливает два ядра Opteron, убирает физические порты HyperTransport и соединяет два процессора на одном кристалле. Но для таких разработок необходим более совершенный техпроцесс, так что по мере совершенствования технологических процессов мы ещё услышим о многоядерных процессорах Opteron.

Весьма странно, но по каким-то причинам AMD вернулась к использованию керамической упаковки в Opteron вместо органической упаковки в Athlon XP. Будет ли осуществлен переход на органическую упаковку, не регламентируется, но думаем, что это несомненно произойдет при повышении тактовых частот.

Что мы увидим на материнских платах для Opteron

Socket 940

С запуском процессоров Hammer в апреле (Opteron) и сентябре (Athlon 64) этого года, дни Socket 462 сочтены. Athlon 64 использует новый разъём Socket 754, а Opteron - Socket 940. Различие в числе контактов двух процессоров Hammer связано с наличием дополнительного канала памяти и двух портов HyperThransport на Opteron. Все процессоры Hammer будут использовать упаковку mPGA, как и Intel Pentium 4 и Xeon. Производители также решают проблему с установкой кулера на процессор. Следует вспомнить, что с системами охлаждения для Pentium 4, возникают проблемы, поскольку они просто выгибали материнскую плату, в результате некоторые производители начали использовать специальные подложки на обратной стороне материнской платы. Решение крепления радиатора от AMD смотрится более элегантно и требует всего два винта.

Выбор чипсетов для Opteron не поражает разнообразием в отличие от Athlon 64. AMD предлагает собственное решение AMD8000 и AMD8131. Поскольку новый процессор позиционируется на корпоративный рынок, то здесь пока что не используется туннель AGP AMD 8151.

Это объясняет и отсутствие слотов AGP на уже выпущенных материнских платах. Но не будем забывать, что К8 будет работать и в качестве настольного процессора. Следовательно остается только ждать новых решений. Кроме того, весьма значительную роль играет и встроенный контроллер памяти; не за горами приход DDR2. Следовательно AMD придётся вносить какие-то изменения. Производители чипсетов уже готовы предложить свои решения. У процессора можно отключить встроенный контроллер памяти, но отказавшись от него мы получим практически тот же самый К7, правда модернизированный.

AMD не одинока в производстве чипов, на рынок чипсетов для K8 выходит nVidia со своим чипсетом nForce3 Pro.

Одночиповое решение nForce3 Pro направлено на рабочие станции/домашние компьютеры энтузиастов, которые будут использовать один процессор Opteron. Конечно же, этот чипсет оснащён встроенным контроллером AGP 8X. О чем мы уже говорили выше.

Вместе с процессором Opteron был анонсирован чипсет nForce3 Pro 150. Так как у Opteron имеется встроенный контроллер памяти, nVidia добавила только свои контроллеры AGP, Ethernet, IDE и звука на один чип. nForce3 Pro 150 обеспечивает поддержку AGP 8X, сетевого интерфейса nVidia 10/100 (практически идентичного nForce2) и простейшую поддержку звука AC'97 (без специального процессора). Pro 150 поддерживает три канала UltraATA 133, причём на третий канал возможна установка моста Serial ATA, чтобы обеспечить поддержку соответствующего интерфейса. Чипсет nForce3 Pro 150 не имеет поддержки встроенного видео в силу позиционирования на определённый рынок.

На осень намечен выпуск чипсета nForce3 Pro 250, который будет поддерживать гигабитный Ethernet (собственная разработка nVidia) и Serial ATA (два встроенных порта). nForce3 Pro 250 продолжит оставаться одночиповым решением, причём, как утверждает nVidia, подключение гигабитного сетевого контроллера по шине HyperTransport будет обладать достаточной пропускной способностью.

Заключение

Наконец AMD выпустила процессор, который сможет укрепить ее позиции в достаточной мере. Архитектура Opteron несёт определённую угрозу линейке Intel Xeon. Совместимость с существующими х86 приложениями является весьма существенным плюсом в пользу AMD, так как эта черта позволяет постепенный переход на 64-битные системы. Современные 64-битные системы обеспечивают не только более высокую пропускную способность, которая позволяет более эффективно хранить и обрабатывать высокоточные данные с плавающей запятой, но и предоставляют более эффективный путь для работы с числами с плавающей точкой. Корпоративное окружение только возрастает: работа всё большего числа компаний зависит от использования больших компьютерных систем, использующих огромные базы данных. Переход на 64-битную технологию позволит достичь лучшей масштабируемости.

Пока AMD выпустила только модели процессоров позиционирующихся на рынок серверных/корпоративных решений. Это модели с тактовыми частотами 1,4 ГГц, 1,6 ГГц и 1,8 ГГц, нумерация модельного ряда заслуживает отдельной критики, конечно понятно, что чем больше номер модели, тем выше её производительность, но как номер характеризует процессор - немного непонятно. Может быть следует интерпретировать "44" как рейтинг 4400+? Так что нумерацию следовало бы немного упростить для более легкой ориентации клиентов по модельному ряду. В скором времени должны появиться процессоры SledgeHammer на 2,4 ГГц (модель 52). Будем ждать следующего шага от AMD – выпуска настольной версии процессора Hammer, Athlon 64.