Когда ставки в борьбе изготовителей процессоров повышаются, в выигрыше остается потребитель
Процессорные технологии развиваются быстро (достаточно вспомнить скачкообразный переход от одноядерных к двухъядерным, а затем и к многоядерным устройствам), поэтому в наше время задача выбора процессора для системы усложнилась. Вдобавок выбирать приходится из нескольких процессорных архитектур. Но если разобраться, чем одни технологии отличаются от других, будет проще найти правильное сочетание системы и процессора для бизнеса.
Движущая сила этого стремительного технологического прогресса — «процессорная война» между компаниями Intel и AMD. В середине и в конце 1990-х гг. казалось, что Intel вышла победителем в гонке, но в 2001 г. эта компания выпустила 64-разрядный процессор Itanium. Разработчики Intel допустили ошибку, не обеспечив бинарную совместимость процессора с программным обеспечением предыдущего стандарта x86. Компания AMD получила возможность создать модель AMD Opteron, 64-разрядный x86-совместимый процессор класса x64. Opteron вытеснил Itanium на рынке универсальных серверов и позволил компании AMD захватить значительную долю серверного рынка за счет корпорации Intel.
Когда успех модели Opteron и реализованной в нем архитектуры Direct Connect Architecture стал очевиден, проектировщики Intel взялись за перекройку архитектуры своих процессоров. На смену микроархитектуре NetBurst пришла более высокопроизводительная микрорахитектура Intel Core. Компания начала выпуск собственных x64-совместимых процессоров. С тех пор уделом процессоров Itanium стало обслуживание лишь очень дорогостоящих систем с большой нагрузкой на процессоры, тогда как архитектура x64 стала стандартом в сегменте серверов. На первый взгляд может показаться, что производимые компаниями AMD и Intel x64-совместимые процессоры идентичны, но в их функционировании есть существенные различия. И, чтобы правильно выбрать процессор, необходимо иметь представление об этих различиях.
Двухъядерные процессоры: ставки растут
Вскоре после перехода на x64 архитектуру как AMD, так и Intel в спешном порядке занялись разработкой технологий на базе двух ядер. Возможности наращивания вычислительной мощности исключительно за счет повышения тактовой частоты процессора оказались исчерпаны, и оба изготовителя процессоров пришли к заключению, что самый простой способ увеличить мощность предполагает использование параллелизма. Габариты процессоров становились все меньше, благодаря чему открылась возможность производить двухъядерные процессоры, в которых на одной полупроводниковой пластине размещаются два процессора. Дополнительное достоинство такого подхода состоит в том, что при тех же энергозатратах (т.е. при том же напряжении), что и при использовании одного процессора, мощность устройства практически удваивается.
В 2005 г. Intel стал первой корпорацией, выпустившей двухъядерный процессор (это была модель Pentium D, построенная на базе микроархитектуры Intel NetBurst). В январе 2006 г. компания Intel перешла на микроархитектуру Core. В ней используется более короткий, чем в архитектуре NetBurst, конвейер инструкций, за счет чего в течение каждого такта процессоры выполняют значительно большее число инструкций и достигают более высокого уровня производительности, хотя и функционируют с меньшей тактовой частотой, нежели прежние модели процессоров Intel. Компания AMD поспешила ответить на эту инициативу Intel, выпустив собственный 64-разрядный двухъядерный процессор Athlon 64 X2.
В двухъядерных процессорах этих двух производителей реализованы совершенно непохожие архитектуры. В устройствах Intel используется технология с разделяемой системной шиной, обеспечивающая каждый процессор половиной запаса мощности системной шины. При работе памяти и выполнении операций доступа к системе ввода/вывода тоже используется ресурс системной шины, так что быстродействие шины становится решающим фактором, определяющим общую производительность системы.
При изготовлении последней двухъядерной модели процессора Intel Core 2 Duo используется технологический процесс 65 нм. В устройствах Core 2 Duo и Core 2 Extreme оба ядра располагаются на одной полупроводниковой пластине. Каждое ядро имеет выделенный кэш первого уровня емкостью 64 Кбайт, который состоит из кэша инструкций на 32 Кбайт и кэша данных на 32 Кбайт. Кроме того, оба ядра совместно используют кэш второго уровня емкостью 4 Мбайт. Модель Core 2 Duo обеспечивает обработку в течение одного такта 128-разрядных инструкций SSE (Streaming Single-Instruction, Multiple-Data Extensions), которые используются в сложных математических расчетах и при построении графических изображений. Кроме того, она имеет новую энергосберегающую структуру и системную шину, функционирующую с тактовой частотой 1066 МГц.
Структура двухъядерных процессоров, выпускаемых компанией AMD, совершенно иная. В соответствии с принятой в AMD архитектурой Direct Connect Architecture, каждый процессор имеет встроенный контроллер памяти. Шина HyperTransport обеспечивает непосредственную передачу данных между процессорами, системой ввода/вывода и памятью со скоростью 8 Гбит/с. В феврале 2007 г. AMD выпустила новые двухъядерные процессоры Opteron с более высокими тактовыми частотами — до 2,8 ГГц — и более высокой, чем у предшествующих моделей, энергоэффективностью. До конца 2007 г. компания доведет тактовую частоту своих двухъядерных процессоров до 3 ГГц.
Двухъядерные процессоры оказались удачным решением и получили широкое распространение. Сегодня эти процессоры, отличающиеся высоким быстродействием и эффективными средствами энергосбережения, установлены почти на всех серверах и на многих настольных системах пользователей из сферы бизнеса.
Четырехъядерные процессоры: удвоение ставок
Следуя тому же сценарию, который привел к появлению двухъядерных устройств, Intel и AMD удвоили ставки и перешли от двухъядерной технологии процессоров к четырехъядерной. Выпустив в ноябре 2006 г. модель Quad-Core Intel Xeon processor 5300 series, Intel стала лидером этой гонки. Компания AMD сделает ответный ход в середине 2007 г., когда на рынок поступит ее четырехъядерный процессор под кодовым названием Barcelona. И снова, как и в случае с двухъядерными процессорами, Intel и AMD предлагают четырехъядерные решения, существенно отличающиеся друг от друга.
Четырехъядерный процессор Intel представляет собой два двухъядерных процессора, размещенных на одном кристалле. Иными словами, разработанное специалистами Intel четырехъядерное устройство Xeon представляет собой не собственно четырехъядерный процессор, а сдвоенный двухъядерный процессор. Но хотя такая архитектура позволила компании Intel быстро довести изделие до рынка, предложенная структура не является оптимальной. Когда процессоры, размещенные на отдельных ядрах, обмениваются данными, эти данные приходится пересылать по системной шине и через контроллер памяти, а это не самый эффективный способ. Кроме того, как и в более ранних структурах Intel, при подобном подходе общее быстродействие системы ставится в зависимость от быстродействия системной шины. Но, несмотря на указанные недостатки и благодаря усовершенствованиям в микроархитектуре Intel Core, а также подключению дополнительных процессоров, четырехъядерные кристаллы Intel являются самыми быстрыми из представленных на рынке x64-совместимых процессоров. На рис. 1 показана схема четырехъядерного процессора Intel. Более подробные сведения о четырехъядерных процессорах Intel можно найти по адресу http://www.intel.com/quad-core/index.htm?qc_tl+techresearch_promo&.
Разработчики готовящегося к выпуску процессора Barcelona от AMD пошли по другому пути: они разместили на одной полупроводниковой пластине четыре независимых процессора. В четырехъядерном кристалле AMD, как и в выпущенных ранее моделях Opteron, реализована фирменная архитектура Direct Connect Architecture. При изготовлении процессоров Barcelona будет использоваться технологический процесс 65 нм. Предусмотрен выпуск версий мощностью 68, 95 и 120 Вт. В соответствии с четырехъядерной природой модели все четыре ядра функционируют независимо друг от друга. Теоретически подлинно четырехъядерная модель обеспечивает также более эффективное энергопотребление, поскольку каждое ядро может повышать и понижать свою тактовую частоту в соответствии с нагрузкой.
В конструкцию процессора Barcelona был внесен ряд других важных усовершенствований. Он обеспечивает 128-разрядную обработку данных с плавающей запятой и оснащен новым кэшем третьего уровня емкостью 2 Мбайт, используемым всеми ядрами. Поскольку каждый процессор выполняет в течение одного такта больший объем работы, повышение его производительности (составляющее порядка 15%) обеспечивает общее повышение быстродействия примерно на 40%. Важная особенность четырехъядерных процессоров AMD состоит в том, что на уровне гнезд они совместимы с существующими двухъядерными процессорами Socket F. Следовательно, современные двухъядерные системы, построенные с использованием технологии AMD Socket F, могут быть модернизированы до уровня четырех ядер путем обычной замены процессоров и последующей модернизации системы BIOS. Модель Barcelona должна превзойти четырехъядерные процессоры Intel и по масштабируемости. Каждое ядро четырехъядерной пластины процессора Barcelona в будущем теоретически может быть модернизировано до уровня двухъядерного кристалла. В сущности, это означает возможность размещения на одной четырехъядерной пластине четырех двухъядерных процессоров. На рис. 2 представлена четырехъядерная архитектура процессора AMD. Более подробную информацию о многоядерных процессорах AMD можно найти по адресу http://multicore.amd.com/us-en/AMDMulti-Core.aspx.
Приложениям будет привольно
Так в чем же состоят важнейшие достоинства многоядерных процессоров? Многозадачные и многопотоковые операционные системы, такие как Windows Vista, Windows Server 2003 и Windows XP, могут использовать возможности нескольких ядер для одновременного выполнения ряда отдельных потоков. Так, например, программы обработки электронной почты или антивирусные программы могут выполняться в отдельных фоновых потоках, а пользователь в то же время может выполнять интерактивные задачи на полной скорости в потоке с высоким приоритетом. Если говорить о приложениях, то компьютерные игры всегда находятся на переднем крае технологии, и многие из современных игровых программ, такие как Quake и Call of Duty, будут работать гораздо лучше при использовании нескольких ядер и процессоров. К тому же полную отдачу от использования всех имеющихся процессоров могут обеспечить серверы баз данных уровня предприятий, такие как SQL Server 2005, и программные средства виртуализации, например VMware Server. Упомянутые типы приложений предназначены для выполнения в многопроцессорной среде, поэтому они могут инициировать отдельные потоки на индивидуальных процессорах многоядерных систем.
Планы на будущее
Осенью 2006 г. представители Intel объявили о начале разработки следующей серии многоядерных кристаллов под кодовым названием Penryn. Ожидается, что эти продукты поступят на рынок до конца 2007 г. Они будут изготавливаться с использованием нового технологического процесса 45 нм. Новые процессоры будут отличаться более высоким быстродействием и пониженным энергопотреблением и выделять меньше тепла. Переход на технологический процесс 45 нм даст компании Intel временное преимущество в борьбе с компанией AMD, но последняя планирует восстановить равновесие в 2008 г., когда начнется производство ее собственных процессоров по технологии 45 нм. А в конце 2008 г. следует ожидать нового удвоения ставок: как стало известно, в это время Intel приступит к выпуску восьмиядерных процессоров под кодовым названием Duddington.
Майкл Оти - Технический директор Windows IT Pro и президент компании TECA, которая специализируется на разработке программного обеспечения и консультировании. mikeo@windowsitpro.com