Двухъядерные процессоры Intel и AMD: теория, часть 1

Недавно два микропроцессорных гиганта – Intel и AMD – дружно выпустили свои первые двухъядерные процессоры, которые уже успели наделать много шума. Новые микропроцессоры получились не просто интересными, но представляют собой весьма многогранные продукты, тщательное исследование которых не может ограничиться одним-двумя обзорами, написанными по горячим следам. Мы постараемся рассказать об этих новых продуктах более подробно и, по возможности, с разных сторон...

Общие планы перехода Intel на двуядерную и многоядерную архитектуру процессоров показаны на рисунке. Первым восьмиядерным процессором Intel станет, по всей видимости, Tukwila в 2007 году, продолжающая линейку Intel Itanium.

Пока же мы имеем от Intel только Smithfield – простейшие «двухпроцессорные процессоры» - язык даже не поворачивается говорить о «ядрах». Всё скучно до невозможности (впрочем, далеко не всегда двигает прогресс то, что «весело» :))… И, к сожалению, несовместимо со всеми уже существующими чипсетами самой Intel, ибо чипсеты, рассчитанные на однопроцессорную шину, теперь вынуждены будут работать фактически с «дуальными» системами, а двухпроцессорным чипсетам (напомним, что Intel четко разделяет процессоры «для дуалов» и для «многопроцессорных систем») придется научиться работать с «квадами» - четверками процессоров. То есть нагрузка на системную шину существенно возрастет и прежние чипсеты на нее по-настоящему просто не рассчитаны. Кстати, в Intel пробовали запускать Smithfield на чипсетах серии i925/915, но работа такой связки не всегда была достаточно стабильной, поэтому от нее было решено официально отказаться и даже предусмотреть меры, исключающие запуск двухъядерных процессоров на платах со старыми чипсетами.

Аналогично двухъядерность «аукнулась» и в линейке Intel Xeon – отчасти именно из-за увеличения нагрузки на шину QPB, которую используют эти двухъядерные процессоры, Intel и задерживается с выпуском двухъядерных Xeon MP для четырех и более процессорных систем, предпочитая разработать для них новый 90-нм кристалл Paxville, который будет иметь общий на два процессорных ядра контроллер системной шины (чтобы снизить нагрузку на нее), хотя кэш-память по-прежнему будет своя у каждого из ядер. Двухпроцессорные же Xeon на первых порах останутся чисто «двухкристальными» Dempsey.

Впрочем, не подумайте, что мы осуждаем такой подход Intel: несмотря на все свои «подводные камни» он, в конечном счёте, позволит этой корпорации довольно быстро «завалить» прилавки дешевыми и доступными каждому двухъядерниками. Правда, по-настоящему массовыми двухъядерные процессоры станут лишь в следующем году: Intel планирует, что в 2006 году 85% серверных и более 70% клиентских компьютеров (ноутбуков и десктопов) будут иметь двухъядерные процессоры (а в 2007 году эти цифры возрастут до 100% и 90% соответственно), хотя на первых порах «двухъядерники» будут скорее процессорами «для энтузиастов» - недаром же для своей новейшей офисной платформы Lyndon (см. www.ferra.ru/online/system/25893) корпорация предпочитает использовать «старые добрые» одноядерные Pentium 4 шестисотой серии.

Наконец, отметим, что организация «системы в целом» у Intel столь же традиционна, сколь и устройство двухъядерного процессора. В ней есть несколько «равноправных» центральных процессоров (как правило, разделяющих общую шину); есть оперативная память и есть разной степени быстродействия периферия. Весь этот комплект объединяется в единое целое специальным коммуникационным процессором – «северным мостом» (Northbridge) чипсета. Через него проходят буквально все потоки данных, которые только зарождаются в компьютере. Образно говоря, если «процессоры» - это «головы» компьютера, то северный мост – это его сердце. Подобный «централизованный» подход, во-первых, отличается относительной простотой, а во-вторых, удобен тем, что в нём каждый компонент компьютера получается узкоспециализированным, и поддающимся модернизации независимо от других компонентов. То есть с одним и тем же Northbridge можно использовать, например, совершенно различные по своей производительности и наоборот – меняя Northbridge, можно, например, использовать с одним и тем же процессором совершенно разные типы оперативной памяти..

AMD Toledo: SUMA, SRI и интегрированный Northbridge

Архитектура AMD K8 не просто отличается от «интеловской»: она концептуально иная, поскольку в ней нет какого-то выделенного центра. Каждый из процессоров архитектуры AMD64 является независимой и «самодостаточной» единицей, объединяющей в себе почти всю функциональность северного моста традиционных наборов системной логики. Это началось с одноядерных процессоров, а с появлением двухъядерников «обросло» новыми отличиями. Взглянем на блок-схему двухпроцессорной системы на двухъядерных AMD Opteron.

Если смотреть на этот вопрос с чисто технической стороны, то AMD попросту интегрировала практически всю функциональность северного моста в центральный процессор. На блок-схемах в «даташитах» так и обозначается: вот собственно процессорное ядро, вот HT-интерфейс, а вот здесь у него Northbridge. Но «небольшая» технологическая уловка приводит к совсем иной архитектуре компьютера – SUMA, в отличие от традиционной SMP. Перечислим кратко основные преимущества SUMA над «классической» SMP.

• Основа SUMA – последовательная шина HyperTransport (подробнее об этой шине можно почитать, например, на http://offline.computerra.ru/2004/547/34188). В серверных вариантах процессоров AMD может быть интегрировано до трех независимых линков HT, работающих на частотах до 1 ГГц (2 ГГц с учетом режима передачи данных DDR) и шириной по 16 бит (4 Гбайт/с) в каждом из направлений. Часть HT-линков используется для соединений точка-точка между процессорами, часть задействуется для подключения периферийных устройств (через внешний чипсет, разумеется, поскольку HT связывает один из процессоров с чипсетом тоже как точка-точка). Для программиста HT полностью совместима с традиционной программной моделью PCI; при этом с «логической» точки зрения весь компьютер, напрямую подключаются к единой шине HT, объединяющей все устройства, от центрального процессора и до «распоследней» PCI-карточки, вставленной в обычный PCI-слот.

• В каждый процессор интегрируется контроллер «локальной» оперативной памяти (собственно, по сравнению с одноядерными процессорами AMD64 контроллер памяти почти не изменился). На сегодняшний момент в зависимости от процессора это может быть одно- или двухканальный (у двухъядерников – пока только двухканальный) контроллер памяти DDR 200/266/333/400 (небуферизованной или регистровой, с поддержкой ECC и без неё). Обращения к памяти «чужих» процессоров происходят по шине HyperTransport, причем делается эта «переадресация» запросов абсолютно прозрачно для собственно вычислительного ядра процессора – ее осуществляет встроенный в Northbridge коммутатор (CrossBar), работающий на полной частоте процессора. Этот же самый CrossBar обеспечивает «автоматическую» маршрутизацию проходящих через процессор сообщений от периферийных устройств и других процессоров, включая обслуживание «чужих» запросов к оперативной памяти.

• Шина HT специально оптимизировалась для подобного режима работы со множеством «служебных» сообщений (которые возникают при использовании MOESI, о котором мы расскажем чуть позже) и обеспечивает крайне низкую латентность обращения в «чужую» память и высокую (до 4 Гбайт/с) пропускную способность при обращении к памяти «соседей». Шина является полнодуплексной, т.е. шина позволяет одновременно передавать данные на этой скорости в «обе стороны» (до 8 Гбайт/с суммарно). Модель памяти получается неоднородной (NUMA), но различия в скорости «своих» и «чужих» участков оперативной памяти получаются относительно небольшими.

• Чипсет сильно упрощается: всё, что от него требуется – это просто обеспечивать «мосты» (туннели) между HT и другими типами шин. Ну и, возможно, заодно обеспечивать какое-то количество интегрированных контроллеров. Особенно ярко этот принцип проявляется в серверном чипсете AMD 81xx, поскольку это просто набор из двух чипов – «переходников» на шины AGP и PCI-X и чипа, интегрирующего туннель на «обычную» PCI и стандартный набор периферийных контроллеров (IDE, USB, LPC и проч.). Впрочем, традиционные «большие» чипсеты тоже никто использовать не запрещает: к примеру, NVIDIA успешно выпускает Force3 и nForce4, объединяющие все необходимые туннели и контроллеры в единственном кристалле. Но зато можно, к примеру, установить на плату чип nForce Professional 2200 (решение «всё-в-одном» от NVIDIA для рабочих станций) и добавить к нему «в напарники» AMD 8132, который обеспечит материнской плате поддержку шины PCI-X, которой в nForce Pro 2200 нет. Или использовать несколько чипов nForce Pro 2200, чтобы обеспечить, к примеру, вдвое большее число линий PCI Express. Здесь всё совместимо со всем: любые современные чипсеты для микроархитектуры AMD64, теоретически, должны работать и с любыми процессорами AMD… и любыми «правильно» сделанными «напарниками». И, в частности, все двухъядерные процессоры AMD должны работать со всеми ранее выпущенными чипсетами для процессоров архитектуры K8.

AMD сейчас любит подчеркивать, что её процессоры «специально проектировались в расчёте на двухядерность», но, строго говоря, правильнее было бы говорить, что двухядерность очень удачно ложится на её архитектуру. Каждый процессор K8 является «системой в миниатюре», со своим «процессором» и Northbridge; а двухядерный K8 – «двухпроцессорная SMP-система в миниатюре».

Второе ядро подключается к кросс-бару через общую шину SRI; оба ядра идентичны и, фактически, являются полноценными процессорами; общего кэша L2 нет. То есть если мы, скажем, рассматриваем однопроцессорную двухядерную систему, то вся разница между реализациями AMD и Intel с «технологической» точки зрения заключается в том, что у Intel Northbridge реализован отдельным кристаллом, а у AMD он просто интегрирован в центральный процессор. Но…

…Но интеграция Northbridge в процессор и SUMA-архитектура K8 не просто обеспечивает «более быстрый контроллер оперативной памяти», - она заодно позволяет очень эффективно решать и ряд свойственных многопроцессорным системам проблем.

Продолжение читайте во второй части...