Procesory

Od powstania pierwszego mikroprocesora minęło już trochę czasu, a zmagania inżynierów nadal zmierzają do tworzenia coraz to nowszych, szybszych, wydajniejszych jednostek, zajmujących jak najmniejszą powierzchnię, co zresztą jest logiczne. Jednak procesorów wykonanych w technologii krzemowej nie można bez końca miniaturyzować. W końcu naukowcy napotkają taką barierę, którą nie będą mogli przekroczyć, nie będą mogli stworzyć mniejszego tranzystora. Niedawno naukowcy z koncernu IBM przeprowadzili ciekawy eksperyment. Mianowicie skonstruowali bramkę logiczną (podstawowy element logiczny procesora, składający się co najwyżej z czterech tranzystorów) o średnicy 30 nanometrów ( nanometr = 1/1.000.000.000 metra) Niestety, okazało się, że w tej skali nie udało się uzyskać poprawnej komunikacji między poszczególnymi elementami logicznymi. Oznacza to, że niezwykle trudne będzie zbudowanie układu wykonanego w technologii na przykład 0,05 mikrona. Z kolei w grudniu 2000 r. Intel opracował najszybszy i najmniejszy na świecie tranzystor typu CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor, to określenie technologii opierającej się na zjawisku zmiany właściwości elektrycznych krzemu pod wpływem działającego na nie światła co wykorzystywane jest przy przetwarzaniu obrazów na postać cyfrowa. Światłoczule matryce CMOS stosuje się np. w aparatach cyfrowych i kamerach internetowych co znacznie redukuje ich rozmiary i koszty produkcji).. Tranzystor będzie wykorzystywany do produkcji na skale masową w 2005 r. Dzięki takiemu procesorowi będzie można za 5-10 lat stworzyć procesor zbudowany z ponad 400 milionów tranzystorów, taktowany zegarem 10 GHz i zasilany napięciem nie większym niż 1V ! Tak Intel pisze o swoim wynalazku: „Tranzystor jest tak szybki, że w (dosłownym) mgnieniu oka dokonuje 400 milionów obliczeń lub przeprowadza 2 miliony operacji w czasie, w którym wystrzelona kula przelatuje zaledwie 2,5 centymetra. Jego długość wynosi 30 nanometrów, a grubość trzy warstwy atomowe. Tranzystory są tak małe, że gdyby ułożyć 300 jeden na drugim, uzyskano by grubość kartki papieru.” Co taki szybki procesor nam da ? Dzięki takim układom m.in. „w przyszłości turyści podróżujący do innych krajów będą mogli się swobodnie porozumiewać wykorzystując elektroniczne urządzenia, które “na bieżąco” tłumaczą ich mowę na języki obce”. Jeśli jesteśmy już przy innowacjach intela warto wspomnieć o jeszcze jednym odkryciu, które korporacja ta opublikowała na początku marca tego roku, mianowicie naukowcy odkryli nową technologię, która pozwoli produkować układy z pięciokrotnie większą szybkością niż obecne procesory. Technologia ta opiera się na opracowaniu specjalnej fotomaski, którą będzie można wykorzystać w nowoczesnym procesie litografii EUV (Extreme Ultraviolet). Dzięki tej technologii będzie można produkować układy w technologii 0,07 mikrona. Technologia litografii EUV może już niedługo zastąpić stosowaną obecnie litografię DUV (Deep Ultraviolet) i pozwolić na produkcje układów taktowanych zegarami o częstotliwości 10 GHz. Opracowane właśnie fotomaski umożliwiają stosowanie światła ultrafioletowego podczas procesu “drukowania” na krzemowych płytkach przy produkcji procesorów. Patrząc na osiągnięcia Intela można się zastanawiać czym AMD nas zaskoczy

Kolejnym procesorem był K6-3 3DNow! (1998/99 r.). Już pierwsze wyniki testów pokazały, że była to najbardziej wydajna jednostka z pośród dostępnych na rynku procesorów zgodnych z x86. Tym co pozwoliło mu uzyskać taką wydajność było zastosowanie pamięci drugiego poziomu – 256 Kb w jednej strukturze z procesorem, dodatkowo pracującej z pełną szybkością zegara, a także kontynuowanie technologii 3DNow!. Mógł opcjonalnie także wykorzystywać pamięć L3, która zawarta była na płytach głównych. Zastosowanie technologii 0,25 mikrona, pozwalało na upakowanie 21,3 miliona tranzystorów.

W połowie 1999 r. pojawił się Athlon (kodowo nazwany K7, później pojawia się wersja K75 ) o częstotliwości 600 MHz. Wyposażono go w 128 Kb pamięci pierwszego poziomu, pamięć L2 pozostawało poza procesorem tak więc było jej 512 Kb. Jednak obecnie najlepiej przedstawia się Athlon w wersji Thunderbird. Posiada 256 Kb zintegrowanej pamięci drugiego stopnia i 128 cache L1, pracuje na szynie 200 MHz. Jednak już pod koniec 2000 r. AMD planował wprowadzić następcę Thunderbirda – Mustanga wyposażonego w wydajniejszą szynę 266 MHz i 1 MB pamięć L2 (w momencie pisania tego artykuły spotkałem już Athlona z 266 MHz szyną pod nazwą K76). Nowatorskim rozwiązaniem w tych układach jest zastosowanie organizacji pamięci o tzw. wykluczającej się architekturze dostępu (exclusive L2 cache memory) dzięki czemu układ niezbędne informacje pobiera z RAM-u w taki sposób, że pamięć L2 zawiera całkowicie inne dane niż cache L1, przez co system zachowuje się tak jakby był wyposażony w pamięć L1 o sumarycznej pojemności L1 + L2 (384 KB), przy tym średni czas dostępu równy jest około 1,5 cyklu zegara. Athlony obsługują pamięć DDR. Moc Athlona tkwi również w wykorzystywanych instrukcjach. Standardowych 21 instrukcji 3DNow!, poszerzono o 25 kolejnych – 19 by poprawić obliczenia stałoprzecinkowe MMX? i zwiększyć transfer danych w aplikacjach internetowych oraz 5 instrukcji DSP dla soft modemu, soft ADSL, Dolby Digital i programów do odtwarzania MP3, oczywiście nadal pozostaje zgodny z instrukcjami x86 i MMX, które rozszerzono o dodatkowe 19. Posiada spore możliwości podkręcania np. udało się na Athlonie 1200 MHz osiągnąć 2000 MHz ( dokładnie 2027,03 MHz) – chłodzono go ciekłym azotem. Nowe Athlony wykonane są w technologii 0,18 mikrona, na 120 mm kwadratowych upakowano 37 mln tranzystorów.

Natomiast dla mniej wymagających i zamożnych wprowadzono w ubiegłym roku Durony (od hiszpańskiego Durate – twarda sztuka). W zamierzeniu Duron to konkurent najnowszych układów Celeron. Okazuje się jednak, że Duron może również konkurować z PIII, okazało się bowiem że Duron 600 MHz w teście PC WorldBench był tylko o 5 punktów słabszy od podobnie wyposażonego komputera z PIII 733 MHz. Kodowa nazwa Durona to. Spitfire. Pracuje na tym samym jądrze co jego wydajniejszy brat Athlon. Posiada 200 MHz szynę systemową, w sumie 192 Kb zintegrowanej pamięci podręcznej ( 64 cache L2, zintegrowanej z jądrem procesora i 128 cache L1). Jednak zaskakująco mała pamięć cache L2 Durona stosunkowo nieznacznie ogranicza wydajność procesora, dzięki zastosowaniu trybu obsługi “exclusive” (patrz Athlon). Spore możliwości podkręcania ( trik z ołówkiem grafitowym, w przypadku zablokowanego mnożnika), ponoć Durona 600 MHz da się podkręcić do 900 MHz, rzecz jasna jaka będzie wtedy jego żywotność to już inna sprawa. Oczywiście niewątpliwym atutem jest jego cena.

grudzień 2000 – Athlon 1.33GHz (266MHz FSB) – ostatni T-bird,
I kw. 2001 – Athlon 1.4GHz ”Palomino”, Duron 850 (jeszcze T-bird),
II kw. 2001 – Athlon 1.5GHz, Duron 900 ”Morgan”,
II połowa 2001 – Athlon 1,7GHz, prawdopodobnie najszybszy ”Palomino”, Duron 1000,
I kw. 2002 – Athlon ”Thoroughbred” w technologii 0,13 mikrona, Duron 1100,
II kw. 2002 – Duron ”Appaloosa” 0,13 mikrona.

AMD, można powiedzieć, iż właściwie przerwało świetną passę Intela, który jeszcze trochę o byłby z pewnością, podobnie jak Microsoft oskarżony o działanie monopolistyczne. AMD swoją historie rozpoczyna kilkanaście lat później w stosunku do Intela. Warto również wspomnieć, że początkowo firma ta produkowała CPU na licencji Intela. Procesory firmy AMD właściwie do wersji K6-2 były jednostkami bardzo podobnymi do intelowskich układów.

W 1982 r. powstaje jeden z pierwszych procesorów firmy – AM286A (lub 286), taktowany zegarem 12 i 16 MHz, posiadający m.in. Protected Mode. Kolejnym
procesorem był AM386 w wersjach DX i SX. Później przyszedł czas na AM486, taktowany zegarem 80 i 120 MHz. Następnym produktem był AM586, z częstotliwością
taktowania 133 MHz, pracujący na szynie 33 MHz, posiadający m.in. układ zarządzania energią.

w 1996 r. powstaje AMD K5, procesor kompatybilny z procesorami – Pentium firmy Intel, wyposażony w 4,3 – mln tranzystorów, wykorzystujący technologię CMOS 0,35 mikrona występujący w – wersjach od 75 MHz, wyposażony w 16 kB pamięci podręcznej cache dla rozkazów i 8 – kB dla danych.
W 1997 r. AMD wydał K6, początkowo częstotliwością zegara równą 166, 200, 233, 266 i 300 MHz. Poprawiono u niego jednostkę zmiennoprzecinkową, a także wprowadzono bardzo wydajną jednostkę stałoprzecinkową. Produkowany był w technologii 0,35 mikrona, pracował na szynie 66 MHz. Upakowano w nim 8,8 mln. tranzystorów. Posiadał 64 Kb cache L2, miał już technologię MMX, zastosowano w nim nowatorską architekturę RISC86.

1998 r. – to rok bardzo szczęśliwy dla tej firmy. Wówczas bowiem wprowadzono bardzo udane K6-2 3DNow! Najważniejszą innowacja w tych procesorach moim zdaniem było wprowadzeni instrukcji 3DNow!. Procesory te ukazały się z częstotliwością taktowania od 300 do 550 MHz . Zawierał 9,3 mln tranzystorów, produkowany w technologii 0,25 mikrona. Posiadał 64 Kb cache L1. Wielkość pamięć drugiego poziomu zależało od płyty głównej. Dostępne były przeważnie płyty główne zawierające 512 Kb a nawet 1 MB.

Od początku istnienia przygotowany był do pracy z magistralą 100 MHz. Jako, że posiadam wersje 400 MHz, mogę stwierdzić, że faktycznie jest to dobry procesor, choć jeśli ktoś lubi przetaktowywać – nie polecam, co prawda można zwiększyć wydajność poprzez zwiększenie częstotliwości szyny na np. 105 MHz, jednak przez to osiągnie się wynik rzędu tylko 448 MHz. Nie radzę zmieniać mnożnika. Pisząc o tych procesorach należy wspomnieć, że ugruntowały one pozycje złącza Socket 7 ( właściwie na Super Socket 7), które pomału odchodziło już w zapomnienie. Uogólniając można powiedzieć iż AMD dla swoich procesorów wykorzystuje ten typ gniazda.

Rok 2000/2001 Intel wprowadza najmocniejszy jak dotąd procesor: Pentium IV. Pentium IV (nazwa kodowa Willamette) to, 32 bitowy procesor stanowiący kontynuacje rodziny układów Pentium. Jednostka w odróżnieniu od swego poprzednika – Pentium III, posiada szereg innowacji technologicznych z których najbardziej spektakularne polega na wydłużeniu potoków wykonawczych przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby tranzystorów (42 mln.) potrzebnych do realizowania poszczególnych etapów obliczeń. Dzięki temu, możliwe było zwiększenie częstotliwości zegara zachowując jednocześnie te sama technologie wytwarzania. Inne przełomowe rozwiązania konstrukcyjne to mechanizm podwójnego wspomagania jednostki stałoprzecinkowej (Double Pumped Integer ALU) umożliwiający taktowanie procesora z podwójna prędkością (np. z 1,5 GHz do 3 GHz) czy rozszerzone o dodatkowe 144 rozkazy instrukcje SIMD (SSE2) dzięki którym wzbogacono możliwości procesora np. w zakresie kompresji/dekompresji obrazu w czasie rzeczywistym lub szyfrowania danych. Willamette korzysta ponadto z magistrali systemowej o częstotliwości aż 400 MHz dzięki czemu osiąga maksymalna przepustowość nawet do 3,2 GB/s. Jednym z ciekawszych elementów architektury procesora (określanej mianem NetBurst) jest REE (Rapid Execution Engine). Jest to moduł działający z dwukrotnie większa częstotliwością niz. pozostała cześć układu a jego zadaniem jest przetwarzanie często powtarzających się operacji wykorzystując do tego celu specjalnie zaprojektowana do tego pamięć cache – Execution Trace. Procesor wytwarzany jest w technologii 0,18 lub 0,13 mikrometra (zależnie od wersji) i posiada zintegrowana z jądrem procesora pamięć podręczna L1 i L2. Jednostka umieszczona została w nowym typie obudowy wymagającym również odpowiedniej podstawki (Socket 423).

Procesor Itanium- 800 MHz , pamięć podręczna L3 o wielkości 2 MB oraz 4 MB, prawdopodobnie już układ 64-bitowy (nazwa kodowa Merced).

Procesor Pentium III Xeon – 900 MHz, duża, wbudowana pamięć podręczna L2, magistrala systemowa FSB 100 MHz, internetowe potokowe rozszerzenia SIMD

Procesor Pentium 4 – Częstotliwość większa niż 1.40 GHz

Procesor Pentium III Xeon oraz procesor Pentium III – Częstotliwość 1 GHz lub wyższa.

Intel Tualatin, ulepszony PIII z 512 kb zintegrowanej pamięci podręcznej L2, wykonany w technologii 0,13 mikrona.)

Pisząc o historii procesorów Intela trudno nie wspomnieć o ich cenach. Okazuje się, że Intel zawsze był drogim producentem. Pierwszy 4004 kosztował 200$, do 386 ceny kształtowały się na poziomie 300-360$. Należy wspomnieć, że konkurencyjny w tamtych czasach procesor 6051 czy 6052 (patrz wyżej) kosztowały 20-25$. Prawdziwe ceny jednak zaczynają się od procesora 486 –950$, aż po Pentium II, które kosztowało nawet 2000$:-).