Bobcat и Bulldozer: новые микроархитектуры AMD

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 26 августа 2010 года

24 августа 2010 года компания Advanced Micro Deviced (AMD) обнародовала информацию о микроархитектурах нового поколения Bobcat и Bulldozer, которые найдут применение в серийных процессорах уже в будущем году.

Микроархитектура AMD Bobcat разработана специально для энергоэффективных процессоров, рассчитанных на установку в нетбуках и неттопах. Главное достоинство этих микросхем – сверхнизкое энергопотребление, не превышающее одного ватта. При этом, в отличие от Intel Atom, построенных на классическом принципе последовательного исполнения инструкций (подробнее см. здесь), в Bobcat используется механизм внеочередного исполнения команд, типичный для "взрослых" мобильных и десктопных процессоров.

Первые чипы на основе микроархитектуры Bobcat будут выпущены уже в четвёртом квартале 2010 года. Эти двухъядерные процессоры со встроенным контроллером оперативной памяти и графическим ядром с поддержкой программного интерфейса DirectX 11 получат кодовое название Ontario. Микросхемы будут производиться по 32-нанометровой технологии. Крупнейшие производители ноутбуков, среди которых компании Acer, ASUS и Hewlett-Packard, уже объявили о намерении представить первые компьютеры на базе Ontario в первом квартале 2011 года.

Процессорная микроархитектура AMD Bulldozer не имеет практически ничего общего с архитектурой AMD64, лежащей в основе современных чипов этой компании, так что о ней мы поговорим подробнее.

Что представляет собой эта архитектура и в чём её отличия от современной?

Как и следовало ожидать, в AMD Bulldozer используются некоторые решения, апробированные в предыдущих архитектурах. Прежде всего, речь идёт о встроенном в чип контроллере оперативной памяти - решении, фактически ставшем промышленным стандартом, а также скоростной шине HyperTransport для подключения процессора к системной логике.

В отличие от чипов AMD64, "настоящих многоядерных" процессоров, что постоянно подчёркивали в AMD, в основу новой микроархитектуры положен принципиально иной подход. Процессоры следующего поколения будут состоять из одного или нескольких двухъядерных модулей с общим внешним интерфейсом (блоков выборки и декодирования), блока вычислений с плавающей запятой и кэш-памяти второго уровня.

Как утверждают в AMD, это было сделано для оптимизации конструкции и одновременно для снижения себестоимости. Поскольку в работающем многоядерном процессоре некоторые блоки часто остаются незадействованными, их можно сделать общими для нескольких "ядер". В результате процессор будет состоять из меньшего числа блоков и его физические размеры будут меньше. Это сделает его экономичнее, "прохладнее" и, разумеется, дешевле.

Конечно, такой процессор, строго говоря, не будет двухъядерным, ведь некоторые блоки у двух "недоядер" общие, поэтому применительно к ним в этой статье бы будем писать слово "ядра" в кавычках. При этом по производительности в реальных приложениях такой чип не будет уступать "настоящему" двухъядерному. Схему составленного из таких модулей восьмиядерного чипа можно увидеть на иллюстрации.

Блок выборки отвечает за отбор и передачу на декодирование следующей инструкции из кэш-памяти или оперативной памяти. Как упоминалось выше, этот блок является общим для двух "ядер" в каждом модуле. Кэш инструкций первого уровня, как неотъемлемая часть блока выборки, также общий для всего модуля, при этом у каждого "ядра" есть выделенный кэш данных L1.

Блок декодирования заведует преобразованием инструкций x86 в понятные процессору микроинструкции RISC. В каждом двухъядерном модуле четыре таких блока, причём пока в AMD не уточняют назначение каждого. Обычно по меньшей мере один блок работает со сложными инструкциями, дешифровка которых происходит за насколько тактов, в то время как простые инструкции дешифруются за один такт.

Расшифрованные инструкции отправляются на соответствующий планировщик, работающий с инструкциями для целочисленных вычислений или расчётов с плавающей запятой. Как и все прочие современные центральные процессоры, архитектура Bulldozer основана на внеочередном исполнении инструкций: для обеспечения равномерной загрузки исполнительных блоков в ней используются планировщики, сортирующие инструкции в произвольном порядке и отправляющие их на блоки, которые могут их исполнить.

Микроархитектурой Bulldozer предусмотрен лишь один блок вычислений с плавающей запятой на каждый двухъядерный модуль и два независимых "ядра", то есть, собственно, два блока целочисленных расчётов. В каждом "ядре" четыре исполнительных подблока: EX, MUL (выполняет любые целочисленные вычисления, за исключением деления), EX, DIV (выполняет любые целочисленные вычисления, за исключением умножения) и два AGen (блоки генерации адресов данных, используемых загружаемыми инструкциями). В каждом "ядре" также имеется блок загрузки и хранения (Ld/ST), отвечающий за выгрузку или загрузку в память данных, затребованных инструкцией. Выполненные целочисленные инструкции пересылаются на блок вывода, в котором они снова выстраиваются в правильном порядке.

В блоке вычислений с плавающей запятой четыре подблока: два MMX (выполняет все основные вычисления с плавающей запятой x87, включая инструкции MMX/SSE) и два 128-битных блока FMAC (выполняет любые вычисления с плавающей запятой).

Архитектура Bulldozer предусматривает общую кэш-память второго уровня для двух "ядер". Кроме того, в чипах будет использоваться и кэш третьего уровня, общий для всех "ядер" и двухъядерных модулей.

Новая микроархитектура предполагает несколько дополнений в системе управления питанием. В частности, в целях энергосбережения могут автоматически отключаться неиспользуемые блоки или целые "ядра".

В архитектуре Bulldozer будет также реализована технология автоматического разгона, аналогичная Turbo Boost, применяемой в процессорах Intel серий Core i7 и большей части Core i5. Напомним, что эта технология включается через BIOS и автоматически повышает тактовую частоту до заранее установленной величины при работе с ресурсоёмкими приложениями. Главное отличие этой системы от "нештатных" технологий разгона заключается в том, что она работает лишь при оптимальных настройках системы и при достаточно эффективном охлаждении, в противном случае Turbo Boost просто не включится.

Микроархитектура Bulldozer совместима со стандартными инструкциями x86 и поддерживает дополнительные наборы инструкций SSE4.1, SSE4.2, AVX, AES и LWP. В отличие от Intel Core, современные чипы AMD не работают с мультимедийными инструкциями SSE4.1/4.2, так что их поддержка в процессорах следующего поколения позволит существенно повысить их производительность при работе с цифровыми изображениями и видео. Проприетарный набор инструкций SSE4a в чипах AMD текущего поколения – это совершенно другой пакет, несовместимый с SSE4.1/4.2.

Набор векторных инструкций AVX (Advanced Vector Extensions) был разработан в Intel в качестве возможного набора мультимедийных инструкций SSE5 нового поколения, и он также будет использоваться в центральных процессорах этой компании следующего поколения на основе архитектуры Sandy Bridge. При этом в AMD решили дополнить этот набор двумя собственными расширениями XOP и FMA4, которые будут также реализованы в микроархитектуре Bulldozer.

Инструкции AES (Advanced Encryption Standard), уже используемые в современных чипах Intel (кроме младших Core i3), отвечают за поддержку алгоритмов шифрования, а LWP (Light Weight Profiling) позволяют одним программам отслеживать производительность других, что особенно важно при отладке софта.

Переход с заслуженной 64-битной архитектуры, впервые использованной семь лет назад в процессорах Athlon 64, на AMD Bulldozer запланирован на 2011 год. Как обычно, первыми чипами на базе новой микроархитектуры станут серверные процессоры, затем будут выпущены высокопроизводительные, и лишь после этого настанет пора массовых и бюджетных моделей.

Ожидается, что одновременно с выпуском новых "настольных" процессоров появится и новый разъём AM3+, причём системные платы для этих чипов будут совместимы с процессорами для AM3, но процессоры для AM3+ не будут поддерживаться на старых платах для AM3.