Мікроархітектура Sandy Bridge

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Розкриття архітектури пристрою

2. Аналітичний огляд аналогів

3. Огляд готових рішень

Висновки

Список використаної літератури

1. 

Вступ

Процесор, або більш повно мікропроцесор, а також часто званий ЦПУ (CPU - central processing unit) є центральним компонентом комп'ютера. Це розум, який управляє, прямо або побічно, всім, що відбувається всередині комп'ютера.

Коли фон Нейман уперше запропонував зберігати послідовність інструкцій, так звані програми, у тій же пам'яті, що й дані, це була воістину новаторська ідея. Опублікована вона в "First Draft of a Report on the EDVAC" в 1945 році. Цей звіт описував комп'ютер складається з чотирьох основних частин: центрального арифметичного пристрою, центрального керуючого пристрою, пам'яті й засобів введення-виведення.

Сьогодні, понад півстоліття опісля, майже всі процесори мають фон-неймановскую архітектуру.

Термін "архітектура процесора" в наш час не має однозначного тлумачення. З погляду програмістів, під архітектурою процесора мається на увазі його здатність виконувати певний набір машинних кодів. Більшість сучасних десктопних процесорів відносяться до сімейства x86. Проте розробники комп'ютерного устаткування вкладають в поняття "Архітектура процесора" (іноді, щоб остаточно не заплутатися, використовується термін "мікроархітектура") дещо інший зміст. З їхнього погляду, архітектура процесора відображає основні принципи внутрішньої організації конкретних сімейств процесорів.

У даній курсовій роботі буде розглянуто одну з процесорних архітектур, та розкрито основні її особливості.

1. Розкриття архітектури пристрою

Sandy Bridge -- мікроархітектура процесорів, розроблена фірмою Intel. Заснована на 32-нм технологічному процесі. Анонсована 3 січня 2011 року. Процесори цієї архітектури продаються на ринку під торговими марками Core i7/Core i5/Core i3/Pentium/Celeron/Xeon.

Рисунок 1.1 Мікроархітектури Intel розроблені за останній час

Процесорні ядра та кристал

Варто відмітити, що Intel анонсувала три різновиди кристалів Sandy Bridge. Відрізняються вони кількістю процесорних ядер та складністю графічної частини. Найпотужніший чотири ядерний варіант складається із 995 млн. транзисторів і має розмір кристалу 216 . Двоядерний чіп з 12 виконавчими блоками, що формують графічне ядро. У ньому 624 млн. транзисторів на кристалі розміром 149 . Найпростіший варіант з двома процесорними ядрами і шістьма виконавчими блоками графічної системи використовує всього 504 млн. транзисторів на 131 квадратному міліметрі кремнію. Для ясності наведена таблиця 1.1.

Таблиця 1.1

Розміри кристалів процесорів Intel

Як видно з таблиці 1.1 завдяки 32 нм техпроцесу вдалось збільшити кількість транзисторів на кристалі, при цьому зменшився і розмір самого кристалу. Це дозволило покращити вбудовану графічну систему та впровадити нові інструкції.

Процесори Sandy Bridge можна класифікувати за:

- Ядрами, 8, 6, 4, 2, 1.

- Підтримкою технології HT. Її підтримують як правило топові процесорні рішення i3, i7 для ПК, а також усі мобільні процесори i3 - i7.

- Підтримкою технології turbo boost. Її підтримують топові рішення для сегменту ПК, а також усі мобільні рішення i3 - i7.

Процесори Sandy Bridge є першими де застосовано набір інструкцій AVX (Advandec Vector Extensions). Це 256 бітний набір інструкцій до SSE. Він допомагає краще виконувати обчислення з плаваючою комою, а значить може значно прискорити кодування та декодування відео. Компанія AMD також розробила такий набір інструкцій, проте він складається з двох блоків по 128 біт і лише в теорії працює так же продуктивно як рішення від Intel. На практиці ж процесори Intel працюють з обчисленнями з плаваючою комою на 50% скоріше.

Рисунок 1.2 Мікроархітектура Sandy Bridge

Кеш пам'ять

У процесорах Sandy Bridge як і раніше є 32 кб кешу інструкцій і даних першого рівня та 256 кб кешу 2 рівня для кожного ядра. Також з'явився додатковий кеш, котрий Intel назвала кешем 0 рівня. Він містить 1500 декодованих мікрооперацій (див. рисунок 1.2, 1.5k uOp cache), що дозволяє збільшити пропускну здатність шини та економити енергію. Якщо блок вибірки знаходить потрібну інструкцію у кеші він може на деякий час відключити декодери доки вони знову не знадобляться.

Intel також адаптувала для нової мікроархітектури кільцеву шину ring bus. Це дозволить нарощувати кількість фізичних ядер у процесорах серії Xeon.

Вона також прискорює обмін даними між процесорними ядрами та графічною системою, і хоч величина затримок постійно змінюється вона завжди буде нижчою ніж у попереднього покоління процесорів.

Рисунок 1.3 Кільцева шина Ring bus

Перший дизайн ядер на основі цієї архітектури представляє поєднання CPU з частотою до 3,5 ГГц, що має 2-4 ядра і високопродуктивного GPU з частотою до 1,35 ГГц (Intel HD Graphics 2000, для K серії - HD Graphics 3000), також у чип інтегрований північний міст набору системної логіки (контролер PCI Express 2.0 і двоканальний контролер пам'яті стандарту DDR3 SDRAM з частотою до 1333 МГц). Кожне ядро має по 256 КБ кешу другого рівня і до 8 МБ об'єднаного кешу третього рівня. Процесор розташований на одній кремнієвій підкладці площею 216 ммІ. Енергоспоживання даного дизайну не виходить за межі 130 Вт для топових моделей.

Turbo Boost 2.0 та System agent

Системний агент - раніше називався uncore, об'єднує в собі підсистеми, які не можуть бути згруповані з виконавчими ядрами (включає в себе графічне ядро).

Рисунок 1.4 Системний агент на кристалі процесора

У списку компонентів системного агента - двоканальний контролер пам'яті (офіційно підтримує швидкість передачі до 1333 МТ / с), 16 ліній PCI Express другого покоління, DMI і поліпшений блок управління енергоспоживанням, що відповідає за роботу Turbo Boost і деякі інші процеси.

Sandy Bridge підтримує технологію Turbo Boost другого покоління. Дана технологія з'явилася під час анонсу процесорів Intel Core i7 дев'ятисотої серії на базі Bloomfield, але працювала вона не дуже ефективно тому фактично проявила себе в процесорах на базі Lynnfield тільки 2 роки потому.

Рисунок 1.5 Системний агент на кристалі процесора

Дана технологія виникла тому, що не всі програми оптимізовані під багато ядерність. Завдяки підвищенню тактової частоти ядер вдалося добитися більшої продуктивності у одно поточних додатках.

Версія Turbo Boost 1.0 працювала добре, але не надто ефективно. Справа у тому, що вона використовує теоретичну модель нагріву процесора, яка відрізняється від реальної. Під час розгону процесор не відразу нагрівається (має деякий тепловий резерв), тому є можливість довше утримувати підвищену тактову частоту. Перша версія Turbo Boost не могла використовувати дану особливість.

Версію Turbo Boost 2.0 було покращено. Вона орієнтується на кількість завантажених ядер, також по максимуму використовує тепловий резерв. Якщо програма більше потребує роботи графічного ядра, то його частота підвищується, а частоту процесора може бути знижено або залишено у стандартному режимі, все на користь продуктивності.

Quick Sync

Дана технологія представляє з себе спеціалізований конвеєр для обробки відео. Почали її розробляти ще у 2005 році, і до 2010 вона залишалася в таємниці.

Рисунок 1.6 Технологія Quick Sync. Структурна схема

Основна її задача полягає у прискоренні кодування/декодування відео. Вона також створена для того, щоб конкурувати з такими технологіями як Nvidia Cuda та AMD APP. Нажаль на сьогоднішній момент не багато програм підтримують прискорення Quick Sync.

Особливості архітектури

Нова архітектура відрізняється повною інтеграцією елементів на одному кристалі. Раніше процесорні ядра та кеш знаходились на окремому кристалі і з'єднувалися з графічним ядром (також на окремому кристалі).

Тепер же всі компоненти знаходяться на одному кристалі (рисунок 1.7) - це в свою чергу підвищило швидкодію, та обмін даними між процесором та відео ядром.

Рисунок 1.7 Повна інтеграція на одному кристалі

2. Аналітичний огляд аналогів

До аналогів архітектури Sandy Bridge можна віднести випущену дещо пізніше, також на техпроцесі 32 нм архітектуру Bulldozer.

Короткі відомості про архітектуру:

Bulldozer - кодова назва архітектури процесорів AMD64 від компанії AMD, покоління К11, виготовлений по 32-нм технології призначений для використання в серверах так і високо продуктивних ПК.

AMD в 2011 році поставило 4 моделі для настільних ПК на основі нової архітектури Bulldozer. Саме ж сімейство одержало назву Zambezi.

Структуру самого кристала, побудована на використання так званих модулів (блоків), які по своїй суті є нічим іншим як здвоєними х86 процесорними ядрами. Саме з цієї особливості і з'являються ті самі 8 ядер процесора, хоча при швидкому погляді на структуру кристала вгадуються лише 4, так званих, модуля Bulldozer.

Таким чином компанія АМD намагалася повторити технологію Hyper trading на апаратному рівні. Проте через ранній випуск процесорів не вдалося досягти потрібного результату.

У таблиці 2.1 будуть розглянуті, та порівняні два топові рішення двох архітектур.

Рішення від компанії AMD, а саме процесор FX-8170 працює на вищій тактовій частоті, має більше фізичних ядер, кешу, контролер пам'яті здатен працювати на вищих частотах (до 1866 МГц). Проте всі ці переваги не допомогли йому досягти більшої продуктивності ніж рішення від Intel.

У якості топових процесорів компанії Intel було вибрано 4-ядерний і7-2700к, та 6-ядерний процесор і7-3970к. Дані процесори найпродуктивніші на своїй платформі (сокеті), і обидва вони у більшості тестів продуктивніші ніж топове рішення від AMD. Проте є у них один значний недолік, а саме ціна.

Таблиця 2.1

Технічні характеристики топових рішень AMD/Intel

Як видно з таблиці 2.1 топове рішення від AMD має досить великий об'єм кеш пам'яті, особливо кешу другого рівня.

Незважаючи на все це продуктивність рішення AMD набагато нижча ніж Intel. А все тому, що затримки кешів 2 і 3 рівня майже у два рази більші ніж у Intel.

Процесори архітектури Sandy Bridge мають невеликий розмір кеш пам'яті 1 і 2 рівня, але завдяки низьким затримкам кешів всіх рівнів вдається підтримувати продуктивність на належному рівні.

Компанія AMD у своїй новій архітектурі зробила ставку на об'єм, а не на швидкість і програла. Великий об'єм кешу потрібний для багатозадачних програм, проте на сьогоднішній день більшість контенту не оптимізовано під 6 - 8 потоків.

1. 3. Огляд готових рішень

Таблиця 3.1

Процесори Sandy Bridge для PC

Як видно з таблиць 3.1-3.2 процесори даної архітектури різноманітні і можуть задовольнити своїми характеристиками будь-якого користувача. Варто також відмітити, що у даних таблицях приведено лише половину всіх моделей Sandy Bridge. Показано було лише найпопулярніші з них на українському ринку.

Процесори для ПК мають від 1 до 6 ядер (одноядерні моделі з'явилися зовсім недавно), можуть мати розблокований множник, підтримку turbo boost або чи Hyper Threading, також вбудоване графічне ядро.

Працюють з чіпсетами H61,H67,P67,Х79 і новішими компанії Intel.

Таблиця 3.2

Мобільні процесори Sandy Bridge

Що ж до мобільних процесорів то загалом їх можна поділити на екстремальні (XM), високопродуктивні (QM), продуктивні (двоядерні i7, i5, i3), бюджетні (Pentium, Celeron) та процесори для ультрабуків (процесори i7, i5, i3, Pentium остання цифра в моделі яких відмінна від нуля).

Мобільні процесори працюють з чіпсетами HM65, HM67, HM76, HM55, HM75, QS67, HM77 і новішими.

транзистор кристал процесор intel

Висновки

Поява процесорів Sandy Bridge стала дійсно важливою подією, адже дані процесори мають ряд переваг над усіма іншими на ринку.

Оскільки недоліків даної мікроархітектури не так багато, тому варто почати з них:

Хоч і топові процесори мають розблокований множник дуже сильно підняти тактову частоту ще нікому не вдалося. Також не було встановлено жодного рекорду по розгону серед даних процесорів.

Інтегрована графіка не дуже продуктивна в плані роботи з тривимірними схемами. Найпродуктивнішим інтегрованим рішенням стало графічне ядро HD 3000 і хоч воно і набагато продуктивніше за всі попередні рішення від Intel конкурувати з AMD у цьому плані не вдається. Топове рішення від AMD APU A8 3870k більш ніж у два рази продуктивніше за HD 3000.

Що ж до усіх інших особливостей то тут самі переваги:

Процесорна частина забезпечує високу продуктивність, найкращу якщо порівнювати з усіма попередніми рішеннями Intel та AMD.

Процесори Sandy Bridge мають у своєму розпорядження безліч додаткових інструкцій, котрі значно прискорюють обчислення з плаваючою комою.

Серед інших переваг можна також назвати технологію Quick Sync, для якої у гігантів графічної обчислювальної техніки AMD та Nvidia не має відповіді. Хоча б заради цієї функції можна прати процесор Sandy Bridge, особливо якщо часто приходиться займатися відео монтажем.

Загалом про дану мікроархітектура виявилася дуже вдалою, а такі процесори як i5 2500k та i7 2670QM стали бестселерами на ринку через свою відносно не велику ціну та високу продуктивність.

Список використаної літератури

1. http://www.ixbt.com/cpu/sandy-bridge-4.shtml.

2. http://www.thg.ru/cpu/sandy_bridge/index.html.

3. http://uk.wikipedia.org/wiki/Sandy_Bridge.

4. http://www.easycom.com.ua/steg.php?top=0&sa=&sn=&s=sandy%20bridge&s2=&b=10&lang=ru.

5. http://hard.rozetka.com.ua/intel_core_i7_3970x/p247774/.

Размещено на Allbest.ru