Fall Processor Forum 2005: процессоры завтрашнего дня

Одно из самых интересных, на мой взгляд, технологических событий 2005 года – прошедший в последнюю неделю октября Fall Processor Forum 2005, (FPF, ранее - Microprocessor Forum). Форум посвящен, как видно из названия, новым архитектурам процессоров и проводится традиционно два раза в год аналитической компанией In-Stat/MDR при активном участии, содействии и спонсорстве большинства производителей полупроводниковой промышленности, так или иначе связанных с процессорами.

Влияние мероприятий класса Processor Forum на индустрию весьма велико, многие компании стараются приурочить анонс новых процессорных архитектур именно к этому событию. Отмечу, что именно в рамках майских сессий конференции Spring Processor Forum 2005 впервые были представлены детали архитектуры чипов IBM Cell и Broadband Engine Processor, а годом ранее, в дни проведения конференции Fall Processor Forum 2004, мы впервые узнали подробности о 2-ядерных процессорах AMD, 64-битной архитектуре чипа VIA Isaiah, втором и третьем (ныне мёртвом) поколении чипов Efficeon от компании Transmeta.

На сессии Fall Processor Forum 2005 от производителей x86 процессоров для настольных, мобильных и серверных систем последовал лишь один единственный доклад – Pacifica: x86 Architectural Enhancements to Facilitate Virtualization, зачитанный Кевином МакГратом (Kevin McGrath) из AMD. Судя по пресс-релизам октября, AMD сейчас больше занята вопросами продвижения архитектур Geode и Alchemy, а также промо-акциями в пользу новой 15-месячной программы AMD Commercial Channel Program. В нашем сегодняшнем рассказе не будет подробностей о внедрении технологии виртуализации AMD Pacifica, полагаю, мы коснемся этой темы несколько позже в соответствующем комплексном материале по архитектуре процессоров Opteron.

Остальные производители x86 архитектур на FPF 2005 не выступали, как говорится, "одних уж нет, а те далече". Компания Intel традиционно проводит анонсы своих новых архитектур в рамках собственного технологического форума для разработчиков – IDF. Компании VIA, хранившей последний год гробовое молчание о подвижках в разработке ядра VIA Isaiah и только собирающейся начать массовые поставки процессоров VIA C7/C7M, скорее всего, особенно рассказывать не о чем. Уж молчу об архитектуре Transmeta Efficeon, следы которой потерялись весной 2005 года в Гонконге, после продажи интеллектуальных прав на Crusoe/Efficeon гонконгской компании Culture.com Technology, дочернему предприятию инвестиционной компании Culturecom Holdings, вкладывающей деньги во всё - от китайских комиксов до процессоров.

Впрочем, тот факт, что архитектура x86 фактически "выпала" из интересов Fall Processor Forum 2005, совершенно не умаляет значимости сессий форума, ибо современные тенденции энергичного роста спроса на современную бытовую компьютерную технику и портативную электронику подразумевают параллельное развитие множества самых разнообразных архитектур CPU.

Начиная с прошлого года были объединены сразу три конференции, считавшиеся ранее самостоятельными - Microprocessor Forum, Embedded Processor Forum и MEMS Executive Forum. Таким образом, в течение одной рабочей недели участники Fall Processor Forum 2005 получают возможность узнать сразу всё о новых и зачастую достаточно взаимосвязанных технологиях в области разработки микропроцессоров, встраиваемых процессоров и Микро-Электро-Механики (MEMS).

Список сессий, состоявшихся в рамках Fall Processor Forum 2005 и проходивших под общим лозунгом The Road To Multicore, впечатляет: были представлены новые поколения серверных чипов, процессоров для встраиваемых систем, DSP и многое другое. Для справки лишь перечислю список компаний, отметившихся в рамках FPF 2005 с докладами. Это Broadcom, Fujitsu Limited, P. A. Semi, Hardware Engineering, Azul Systems, ARM, Innovative Silicon, ARC International, Tensilica, videantis GmbH, Microsoft, Green Hills Software, XenSource, AMD, Freescale, S-T-I Design Center, IBM, Texas Instruments, Fulcrum Microsystems, Sonics.

В этом кратком дайджесте событий FPF 2005 ограничусь рассказом лишь о самых интересных докладах конференции, ибо остальные материалы, на мой взгляд, интересны лишь узким специалистам.

Архитектура IBM PowerPC для Microsoft Xbox 360

В дни Fall Processor Forum 2005 компания IBM - генеральный спонсор мероприятия, представила четыре доклада из 19 прозвучавших. Ключевыми стали рассказы о разработке специализированного CPU для Microsoft Xbox 360, экономичного 2-ядерного процессора IBM PowerPC 970MP; наряду с этим был представлен детальный анализ дизайна процессора Cell.

Ключевым событием, конечно же, стал анонс IBM нового процессора, специально разработанного для использования в составе игровой консоли Microsoft Xbox 360. Производство нового процессора уже начато, при этом сразу на двух предприятиях - собственной фабрике IBM в Ист-Фишкилл (East Fishkill), Нью-Йорк, и фабрике контрактного производителя чипов Chartered Semiconductor Manufacturing в Сингапуре.

Процессор был разработан менее чем за 24 месяца после заключения осенью 2003 года контракта с Microsoft. Процессор Xbox 360, разработанный совместной командой специалистов из IBM и Microsoft, представляет собой чип SoC (System-on-Chip), выполненный на базе специализированного варианта известного 64-битного ядра IBM PowerPC, схожего по архитектуре с Cell (см. нашу статью Процессор Cell: шаг в будущее) или PowerPC970, но с некоторыми важными особенностями. Точнее, в случае Xbox 360 в чип интегрированы три идентичных ядра PowerPC с тактовой частотой 3,2 ГГц, объединенные диспетчерской шиной XBAR, с возможностью обработки двух независимых тредов каждым.

Таким образом, в случае Xbox 360 можно говорить о возможности одновременной обработки до шести потоков данных. Разработчики IBM позаботились о возможности снижения тактовой частоты в случае неполной загрузки чипа, что снижает энергопотребление в режиме ожидания.

Архитектура чипа Xbox 360

Процессор Xbox 360 состоит из 165 млн. транзисторов, площадь ядра составляет 168 мм². Для снижения энергопотребления и увеличения производительности используется 90 нм технологический процесс IBM CMOS 10 KE с применением технологии SOI (Silicon on Insulator).

Архитектура системной шины (FSB)

Особенность архитектуры процессора Xbox 360, предусмотренная для увеличения производительности игровой консоли Microsoft Xbox 360 и борьбы с неизбежными задержками – системная шина (Front Side Bus, FSB) с пропускной способностью до 21,6 Гб/с. Системная шина разделена на два виртуальных канала, каждый состоит из двух линий (lanes), оба канала являются двунаправленными. Соответственно, производительность каждой линии составляет 5,4 Гб/с, в сумме - до 21,6 Гб/с, соответственно, по 10,8 Гб/с на каждый канал.

Впрочем, поскольку процессор и графический чип работают на разных тактовых частотах, общение через FSB носит асинхронный характер. Потери и задержки удалось свести к минимуму ещё и за счет того, что память к чипу IBM Xbox 360 напрямую не подключена.

Взаимодействие блоков чипа Xbox 360

Чип обладает 32 Кб 2-направленного 128-битного кэша инструкций L1 на каждое ядро и 32 Кб такого же кэша данных L1 на каждое ядро. Ключевое требование к процессору, специально "заточенному" под игровые и мультимедийные приложения - возможность обработки мощных объемов потоковых данных.

Оптимизация обработки потоковых данных
xDCBT - eXtended Data Cache Block Touch

Вот почему в чипе Xbox 360 реализована возможность обхода кэша L2, с пересылкой до восьми пакетов данных предварительной выборки (prefetch) непосредственно в кэш L1 каждого из трёх ядер процессора, при этом части кэша L2 могут быть распределены в качестве буферов для потоковых данных.

Возможности использования распределенного кэша L2

Графическое ядро может считывать данные непосредственно из кэша L2 процессора пакетами по 128 байтов. Кэш L2 размером 1 Мб на базе специальной логики для поддержки скоростных потоков графических данных и системных приложений распределен между тремя ядрами процессора, работа с данными осуществляется на полной тактовой частоте процессора, то есть, 3,2 ГГц, в то время как управляющая логика и буферы (Transaction Layer) работают на половинной тактовой частоте - 1,6 ГГц.

Комбинированный модуль VMX и FPU

Каждое из трёх ядер процессора имеет скоростной 128-битный векторный модуль VMX (Vector/SIMD Multimedia eXtention). В чипе Xbox 360 количество векторных регистров VMX увеличено с 32 (у стандартных ядер PowerPC) до 128. Модуль VMX обрабатывает одновременно два потока, при этом в чипе Xbox 360 реализована поддержка дополнительного набора инструкций для ускорения обработки 3D игровых приложений и потоковых данных, вроде инструкций Direct3D-Pack и Unpack. Имеется стандартный FPU, объединенный с модулем VMX, но похоже, что большинство инструкций с плавающей запятой обрабатываются все же с помощью модуля VMX.

Межпроцессорная шина DataLink Layer является 64-битной и работает на тактовой частоте 1,35 ГГц. В целом дизайн приставки Xbox 360 разрабатывался с прицелом на то, чтобы процессор и графический чип были равноправными партнерами системы, в отличие от классического Wintel PC, где традиционно в центре системы исключительно процессор. Вот почему системная память и южный мост подключены к графическому чипу от ATI, а не к процессору, вот почему процессор общается с графическим чипом ATI непосредственно по системной шине, а шина графического ядра Link Layer работает на тактовой частоте 675 МГц. Тактовая частота Transaction Layer графического процессора, схожа с тактовой частотой интерфейса 128-битной памяти GDDR3.

Корпусировка Xbox 360

Остается добавить, чипы Xbox 360 выпускаются в корпусе FC-PBGA габаритами 31 х 31 мм. Массовые поставки игровой консоли Microsoft Xbox 360 в США, Японии и Европе приурочены к сезону рождественских продаж 2005 года. В частности, в Германии начало продаж Microsoft Xbox 360 ожидается 2 декабря. В Европе Microsoft Xbox 360 будет продаваться по цене 299 евро в стандартной версии - с джойстиком и обычным AV кабелем.

Microsoft Xbox 360

Расширенный вариант Microsoft Xbox 360 по цене 399 евро будет иметь несколько измененный внешний дизайн, встроенный 20 Гб винчестер, контроллер беспроводной сети, в комплекте будут поставляться наушники, специальный HD-AV кабель с поддержкой High Definition видео. Ограничсенным тиражом также будет поставляться вариант Xbox-Live-Silver с Windows Media Center Edition 2005.

Двухядерный процессор IBM PowerPC 970MP

Представленный в рамках Fall Processor Forum 2-ядерный процессор PowerPC 970MP не является чем-то экстраординарно новым: нынче этот чип в 2,5 ГГц версии поставляется в составе компьютеров Power Mac G5 Quad от Apple Computer. Однако, IBM PowerPC 970MP отличается использованием ряда новейших технологий, в частности, направленных на снижение энергопотребления, о чем обязательно стоит рассказать.

Архитектура IBM PowerPC 970MP

Инициатива Intel, получившая название "Performance per Watt", в реализации PowerPC 970MP достигается несколькими способами. Один из простых и наиболее эффективных способов снижения энергопотребления практически вполовину – выключение одного из ядер в режиме простоя. Более того, за счет классического динамичного снижения тактовой частоты вполовину или на четверть также удаётся значительным образом снизить расход энергии – с пиковых 100 Вт до 60 Вт или даже до 40 Вт.

Ещё одно интересное инженерное решение – переход процессора из полномасштабного в низковольтный режим, то есть, реализация в одном чипе обычного и low-voltage режима, с различными режимами "сна" - Nap и Deep Nap.

Переключение режимов IBM PowerPC 970MP

Результаты впечатляют: в так называемом режиме "deep nap" (буквально "глубокого сна") процессор снижает тактовую частоту до 1/4 от номинала, при этом оба ядра активны - лишь "заторможены" до состояния "спячки", и общее энергопотребление чипа снижается до 5 Вт, при работе только одного ядра – до 3 Вт.

Типовое энергопотребление PowerPC 970MP

Каждое ядро процессора PowerPC 970MP обладает своим собственным 1 Мб кэшем L2 (512 Кб у PowerPC 970FX), объединенным общей шиной. Это как раз и позволяет при возможности совершенно безболезненно отключать или уводить "в спячку" одно из ядер чипа. Тактовые частоты ядер регулируются синхронно, зато каждое ядро в отдельности обладает независимыми термодиодами и шинами питания.

Процессоры PowerPC 970MP будут поставляться на рынок в версиях с тактовой частотой от 1,2 ГГц до 2,5 ГГц и выше. Оценочная производительность 2,5 ГГц чипа PowerPC 970MP составляет 9250DMIPS на ядро, при этом энергопотребление не превышает 100 Вт, пиковое энергопотребление 1,2 ГГц версии процессора составит всего 25 Вт. Чипы PowerPC 970MP будут поставляться в 575-контактных корпусах CBGA с уменьшенным содержанием свинца, габариты чипов составят 25 х 25 мм. Производство чипов налажено на фабрике IBM с применением 10-уровневого 90 нм CMOS техпроцесса, с использованием меди, напряженного кремния, low-k диэлектриков и технологии SOI.

Таким образом, можно сказать, что двуядерный процессор PowerPC 970MP представляет собой в какой-то степени "римейк" IBM по мотивам Power4, со значительно улучшенными режимами управления энергопотреблением. Ибо несмотря на то, что предшественниками PowerPC 970MP являются одноядерные PowerPC 970 и 970FX, общим "предком" этой серии был процессор IBM Power4 – самый первый серверный многоядерный чип, представленный ещё в 2001 году. Ожидается, что процессоры PowerPC 970MP будут представлены в первом квартале 2006 года в составе blade-серверов IBM.

Стр.2 - P.A.Semi, Freescale, Fujitsu

	Содержание:
	• Стр.1 - Всё о новых IBM PowerPC • Стр.2 - P.A.Semi, Freescale, Fujitsu • Стр.3 - ARM, StarCore, ARC, etc...