Процессоры AMD седьмого поколения (K7)

 

 Процессоры AMD седьмого поколения  (K7)

Содержание

Введение

1. Процессоры AMD седьмого поколения  (K7)

2. Общие сведения о процессоре AMD Athlon (Thunderbird)

2.1 Основные свойства архитектуры  процессора AMD Athlon™

2.2 Характеристики процессора AMD Athlon

3. Архитектура процессора AMD Athlon (Thunderbird)

3.1 Микроархитектура

3.2 Системная шина

3.3 Блок операций с плавающей  точкой

3.4 Расширенные возможности технологии 3DNow!™

3.5 Архитектура КЭШа

3.6 DDR память

4. Возможности следующего поколения  компьютеров

Список источников

 

Приложение

 

 

 

 

 

Введение

 К7 - первый из семейства микропроцессоров х86 7-го поколения, в котором присутствуют конструктивные решения, до сих пор не применявшиеся в процессорах архитектуры х86 и сулящие выигрыш в быстродействии даже при одинаковых тактовых частотах. Наиболее впечатляющим из них является, конечно, 200-мегагерцовая системная шина, однако есть и другие, менее заметные на первый взгляд новшества, ставящие К7 выше процессоров 6-го поколения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Процессоры AMD седьмого  поколения (K7)

K7 - первые процессоры, выпущенные  на платформе PC, которые не  только вывели AMD на уровень действительно  достойного и мощного конкурента  Intel, но и на длительное время стали признанными лидерами по производительности. Архитектура принципиально отличаются от Intel, которая уперлась в свой Slot1 и решила давить конкурентов, никого на него ни в коем случае не пуская. В результате AMD разработала свой интерфейс и в альянсе с VIA Technoliges, а в последствии и с nVidia обеспечила быструю и надежно работающую гибкую связку процессор + чипсет. Это был абсолютно новый кристалл следующего поколения, с тщательно переработанной и проработанной архитектурой. На этот раз особенно впечатлял своими показателями как раз блок арифметики с палавающей запятой (FPU): для него использовалось 3 независимых полностью автоматизированных конвейера, один из которых обеспечивал взаимодействие регистров с памятью (что сильно повышает среднюю производительность), а два других (сложения и умножения) могли одновременно обрабатывать инструкции (их подача осуществлялась конвейерно, в отличии от FPU K6). При этом пиковая производительность при, скажем, 500MHz составляет 1000 Mflops (когда обрабатываются 2-е инструкции за такт). AMD в качестве маркетинговой политики продвигала тезис о том, что конвейер у Athlon меньше (соответственно команды выполняются быстрее), а инструкций за такт больше.

 Также был сильно увеличен  объем кэш-памяти L1 - 128 Кбайт (по 64 Кбайт для инструкций и данных). Кэш-память L2 - 512 Кбайт, первое время  работала на 1/2, 2/5 или 1/3 частоты  процессора. Чем тактовая частота  процессора выше, тем на относительно  меньшей частоте работал кэш  процессора "благодаря" вот  этим самым делителям. В следствии чего ядро было в скором времени переделано. Был эффективно переработан интерфейс с L2, причем без дублирования данных L1, т.е. размер кэша для процессора суммировался, в отличии от Intel. Осуществлен механизм двойной независимой шины - по отдельному каналу на кэш и на оперативную память. Изменения также коснулись и SIMD блока. Были добавлены 24 новые инструкции, из них 19 для улучшения целочисленного блока MMX и работы с потоковыми данными, а еще 5 - для обработки инструкций DSP (digital signal processor), которые используются в таких программах, как MP3, Dolby Digital, а также в программных модемах. Дополненный набор был именован как "Enhanced 3DNow!". Процессорная шина взята от небезызвестной Alpha - EV-6. Тактовая частота 100 МГц с эффективной частотой передачи данных 200 МГц (упрощенно: по 100 МГц в обе стороны). Процессор поддерживает набор инструкций MMX и расширенный по сравнению с K6-III набор 3DNow!. Форм-фактор - Slot A, а затем и Socket A, который используется по сей день. К7 получил гордое наименование Athlon. Были выпущены модели 500-1000 МГц. Ядро K75 (Slot A, 0,25мкм) - алюминиевые соединения, K76 (Socket A, 0,18, 0,13мкм) и последующие - медные. Терминология процессоров AMD

 Теперь пробежимся по терминологии  процессоров AMD, ну а что бы не было скучно - продолжим сравнение с линией Intel. Athlon - наименование процессоров, созданных на основе архитектур K7, К75, К76, Thunderbird, Palomino, Thoroughbred и Barton в вариантах Slot A и Socket A (Socket 462). Высокопроизводительные процессоры, ориентированные на сектор рабочих станций с большим быстродействием. При этом изначально цена у них была ниже чем у PIII (в то время - Coppermine), а производительность заведомо выше. Ценовая тенденция сохранилась и до настоящего момента :) Argon - Первое ядро семейства K7. Выпускался по технологии 0,25 мкм от 500-650 МГц. Имел кэш память L2 512 Кб, работающую на половине частоты процессора. Был предназначен для Slot A. Thunderbird - кодовое название 2-го ядра процессоров Athlon, выпущенных по технологии 0,18 мкм с использованием технологии медных соединений. На чипе интегрированы 256 Кбайт полноскоростного эксклюзивного кэша L2 (что решило проблему медленного L2 в первых Athlon). В качестве переходного варианта камень некоторое время выпускался в модификации для Slot A. Однако основным форм-фактором является все же Socket A. Модель с частотой 1,33 ГГц демонстрирует большую производительность на офисных задачах, чем процессор Intel Pentium IV с частотой 1,7 ГГц. Технологический потенциал ядра Thunderbird предоставляет возможность выпуска изделий с частотой до 1,4 ГГц. Однако достойную конкуренцию PIV с его "бешеными мегагерцами" составил кристалл с существенно обновленным ядром… Palomino - кодовое название 3-го ядра процессоров Athlon XP, принявший эстафетную палочку AMD от Thunderbird. C этого ядра AMD, следуя своим традициям, ввела так называемый PR рейтинг, который вместо реальной тактовой частоты указывает некий индекс, сопоставимый с производительностью P4. (т.е. 1500+ по производительности, с точки зрения AMD соответствует P4 1500, даже немного быстрее :) ), хотя его реальная тактовая частота состовляла 1333 МГц). Было произведено несколько незначительных изменений, а результат получился весьма интересным. Первое: обновлен набор SIMD команд, добавлен SSE. Правда, только первая версия (насчет второй с Intel не договорились?), полученный блок называли 3Dnow! Professional. Впрочем, в то время не так много программ были оптимизированны под SSE (ну а SSE2 использовали еще меньше), к тому же не все из них были способны распознать процессорную поддержку (что больше говорит о кривости программ - как правило, они используют старый способ определения поддерживаемости каких-либо инструкций - по CPUID. Естественно, не-интеловские процессоры при таком "технологичном" запросе ничего не говорят, да, собственно, и не обязаны). В любом случае, это шаг в сторону программной совместимости, что вообще-то приятно - нет необходимости волноваться о специальной поддержке в конкретном приложении и медленной работе в случае ее отсутствия. Да и дополнительная производительность в некоторых приложениях с переходом с "обыкновенного" Athlon на XP хоть и иногда, но будет заметна (при поддержке SSE). Тем более, такие бренды, как Adobe (Photoshop etc), с такой поддержкой обычно не затягивают. А в последнее время производители софта стали предусматривать поддержку не только первого, но и второго SSE. Забегая немного вперед, отмечу поддержку SSE2 в поколении AMD K8. Кэш у Palomino экслюзивный, то есть данный в кэше L1 и L2 не дублируются. Дополнительно была реализована опережающая загрузка инструкций в кэш L1, а заодно и механизм TLB (Translation Look-aside Buffer) - кэширование адресов команд и данных (а не их самих), причем приоритет выставлен в пользу данных. С указанной предварительной загрузкой инструкций - выглядит весьма стройным и красивым решением… Улучшен блок предсказания ветвлений что повышает производительность практически во всех приложениях. Хотелось бы также замолвить пару слов про реанимированный Pentium Rating (PR). Для начала просто список приложений, с помощью которых специалисты из AMD его считали. Приложения бизнес класса (офисное ПО): · Business Winstone 2001 · SYSmark 2001 Office Productivity Графика и мультимедиа: · Content Creation Winstone 2001 · SYSmark 2001 Internet Content Creation Игры и игровые бенчмарки: · 3D WinBench 2000 · 3DMark 2001 · Aquamark · Half-Life · Expendable · Quake III · DroneZ · Unreal Tournament · Evolva · MDK2 · Serious Sam В отличие о первого введения PR, здесь это уже не просто рекламный ход, как для К5, но вполне информативный параметр. По 2 теста на разные виды деловых приложений и 11 игровых программ! Роскошно! При этом AMD еще проводит аудит этих своих тестов, и в общем, похоже, она действительно хочет быть объективной, а не только казаться таковой. Кроме того AMD для справки честно объявила настоящие частоты для своих процессоров (таблица приведена далее). Резюмируем: Palomino - высокопроизводительный кристалл с большим количеством высокотехнологических новшеств, и если по "мускулатуре" (частотам и объему кэша) PIV время от времени и урывками выпрыгивает в лидеры гонки, то AMD уж точно можно давать приз за оригинальность исполнения, причем без ущерба производительности. Thoroughbred - кодовое название 4-го ядра процессоров Athlon XP. Никакими новыми функциями по сравнению с Palomino он не обладает. Это "подопытный" AMD, именно на нем она впервые испытала новый техпроцесс 0,13 мкм. В настоящее время выпускается от 1700+ до 2800. Благодаря технологии 0,13 мкм стали доступны более высокие частоты. Топовая модель Throughbred имеет реальную тактовую частоту 2233 при работе FSB - 333 МГц. Это позволяет реально приблизиться к основному конкуренту - P4. Преимущества "более микронной" технологии следующие: уменьшается площадь ядра - следовательно, увеличивается простор для добавления каких-либо микросхем, например кэша (Northwood (512) по сравнению с Willamette (256) - пример от Intel), уменьшается напряжение питания ядра, соответственно уменьшается тепловыделение, и, наконец, открывается возможность увеличивать тактовые частоты, в том числе потому, что микросхемы находятся ближе друг к другу и сигнал проходит быстрее. В общем, такой ход - логичен и ожидаем, и анонс этой "внутренней кухни" многое говорит о перспективах развития конкретного семейства. В настоящее время можно встретить модели от 1700+ до 2700+, процессоры с более высоким рейтингом, как правило, имеют больший объём кэша, это уже Barton (младшая модель Barton 2500+). Следует также отметить великолепный разгонный потенциал 0,13мкм AMD. Начиная с Thoroughbred, наконец убрали "принудительную честность", выраженную в виде заблокированного множителя частоты процессора (что повсеместно присутствует у Intel). Теперь, когда множитель разблокирован, если это предусмотрено возможностями материнской платы, умножение по умолчанию можно запросто поменять. Например, если очень постараться, использовать качественную мать, грамотно подойти к напряжению и охлаждению, то некоторые модели Thoroughbred 1700+ разгоняются аж до 2900+ (по данным www.overclockers.ru). Верхние модели Throughbred с относительно низкой тактовой частотой вполне реально приближаются к основному конкуренту - P4. Для иллюстрации изменений посмотрим таблицу с тремя представителями каждого ядра:

Модель Тактовая частота, МГц Площадь ядра, мм2 Напряжение питания ядра, В Максимальная мощность тепловыделения, Вт

Модель	Тактовая частота, МГц	Площадь ядра, мм2	Напряжение питания ядра, В	Максимальная мощность тепловыделения, Вт
AMD Athlon XP (Palomino) 1900+	1600	128	1,75	68,1
AMD Athlon XP (Palomino) 2000+	1667	-	1,75	70,0
AMD Athlon XP (Palomino) 2100+	1733	-	1,75	71,9
AMD Athlon XP (Thoroghbred)2000+	1667	80	1,60	60,3
AMD Athlon XP (Thoroghbred)2100+	1733	-	1,60	62,1
AMD Athlon XP (Thoroghbred)2200+	1800	-	1,65	68,0

 

 Максимальные частоты (в смысле  рейтинг частоты) Thoroughbred в настоящее время дошли до 2800+, выпущена новая версия ядра - степпинг 1(B). Доработаны недочеты начального варианта, уменьшена мощность тепловыделения, повысилась надежность и стабильность работы, что позволяет в большинстве тестов успешно конкурировать с PIV, в связи с чем AMD несколько поменяло политику своего PIV рейтинга.

 

 Поскольку при все большем увеличении частоты производительность растет все меньше и меньше, с версии 2400+, можно увидеть большее увеличении частоты, чем выводится из общей формулы AMD для процессоров с маркировкой XP. Должно бы быть 1800+2*66=1933 МГц, а реально 2000. И немного по другому: разница между 2600+ и 2700+ всего 33MHz, однако переход на 166 МГц шину позволяет увеличить рейтинг при такой малой разницы частоты. Все это в очередной раз свидетельствует о честном подходе AMD к данному рейтингу как к показателю реальной производительности процессора, а не к пустым ничего не значащим цифрам. Barton - кодовое название 5-го ядра процессора Athlon XP. Отличает Barton от Throughbred кэш-память второго уровня 512 кб и шина 333 (400). Будут выпускаться от 2500+, 2800+ , 3000+ 3200+ (шина 400 МГц). До 3500+ (если будут :) ). Больше отличий нет.

 

 Посмотрите, ядро Barton (справа) немного удлинено из-за большего объёма кэша:

 

 Частотная политика AMD реализованная  в модельном ряде Barton представляется мне несколько сомнительной. Выпущен кристалл с рейтингом 3000+, реальная частота которого 2167. Такая же частота у Thoroughbred 2700+, а у 2800+ частота уже выше(2233MHz). Получается что Barton 3000+, хоть и быстрее предыдущей модели 2800+, но не строго. Потому что с увеличением кэша, увеличение быстродействия во многом зависит и от приложения, а иногда его может не наступить вообще. В отличии от всех предыдущих моделей, когда при увеличении рейтинга, увеличивалась и частота. А при увеличении частоты производительность увеличивается всегда. Соответственно росло и быстродействие всей линейки, пусть и не равномерно, особенно с учётом разгона по частоте с 133 на 166 на последних моделях. Но - постоянно, от модели к модели. А теперь, с учётом того, что у 2800+ частота выше, возможно в некоторых приложениях он окажется даже быстрее. Впрочем основные усилия AMD сосредотачивает на K8, а модельный ряд К7, с надрывом достигает возможных и невозможных для него пределов, повторяя историю К6. Кстати и увеличение кэша до 512Мб погоды не делает - в случае большого потока данных кроме кэша ещё необходима быстрая связь с контроллером памяти (как впрочем и с остальными устройствами), а шина FSB (процессор-северный мост, через который процессор может соединяться со всеми устройствами, в том числе и с контроллером памяти) обладает пропускной способностью всего 2700Мб/с (при 166МГц, результирующая - 333 МГц), чего явно не достаточно. Добавленно декабрь 2003: для сравнения у Intel с 800MHz шиной пропускная способность состовляет 6400Мб/с. Чем больше частота процессоров AMD, тем более сказывается эффект узкой шины. Thorton - кодовое название 6-го ядра процессора Athlon XP. Это ядро завершает всю линейку K7. Младший брат ядра Barton комплектуется кэш-памятью второго уровня 256 Кб. Возможно появление таких процессоров с рейтингом от 3000+ и выше. Поддерживает технологию как и Athlon XP Barton "Bus Disconnect", которая в случае перегрева отключает процессор от системной шины. Duron - семейство процессоров K7, ориентированных на сектор компьютеров Low-End. Являются конкурентами процессоров Celeron, однако обладают меньшей ценой и большей производительностью при равных рабочих частотах. Построены на варианте ядра Thunderbird с урезанной до 64 Кбайт кэш-памятью L2. Выпускаются только в форм-факторе Socket A. Spitfire - кодовое название 1-го ядра Duron. Основано на ядре Thunderbird с урезанным в 4 раза кэшем 2-го уровня.

 

 Morgan - кодовое название 2-го ядра Duron. Основано на ядре Palomino с урезанным в 4 раза кэшем 2-го уровня.

 

 Appaloosa - кодовое название 3-го ядра Duron. Основано на ядре Thoroughbred с урезанным в 4 раза кэшем 2-го уровня. Должен был выпускаться с шиной 266 мгц при 0,13 техпроцессе. Ни одного экземпляра процессора выпущено не было. Этот процессор мог бы помешать продажам Athlon нижних частот, и поэтому AMD от него отказалась. Athlon MP - серверная версия Athlon XP, с хорошей масштабируемостью в 2-х процессорных системах, по маркетинговым соображениям вышел раньше Athlon XP. Вполне возможно, что новые ядра процессоров AMD получат технолонию виртуальной многоядерности, или даже реальной - в сервереных кристаллах. Intel уже имеет технологию виртуальной двухпроцессорности. Носит она название Hyper-Threading. Для иллюстрации подобного рода решений несколько слов о её работе. Технология очень кстати для многозадачности и задач с множеством потоков, а это востребованно практически повсеместно. Разумеется, для этого необходима поддержка многопроцессорности на уровне операционной системы (есть в Win2k - NT, 2000, XP, в различных Linux и Unix, в Win9x такой поддержки нет); для увеличения производительности в отдельном приложении важно, учитывалось ли при разработке распараллеливание кода на несколько процессоров. Реализовано Hyper-Threading в виде дополнительного набора регистров. Получается 2 независимых регистровых блока + процессорное ядро. В итоге могут исполняться 2 независимых участка кода на одном ядре - 2 процессорная система de facto. Однако необходимо учитывать, что "второй" процессор - логический, поэтому при загрузке процессора множеством потоков производительность растет (за счёт более "плотной" загрузке ядра потоками), но совсем не настолько, как при наличии второго физического ядра (или как у двухпроцессорных систем). В этой гонке основные козыри PIV перед AMD - SSE2 и широкая полоса пропускания шины процессор-память - практически единственные явные технологические преимущества Intel за долгое время. В спецификации Northwood увеличен кэш L2 до 512 Кб, что является традиционной для Intel "игре мускулами". Полоса пропускания взята с большим запасом и пока еще до конца не востребована, что дает возможность Intel спокойно и планомерно повышать частоты процессоров, сохраняя практически линейную масштабируемость, сосредотачивая усилия на оптимизации технологии изготовления, рекламных компаниях и будущих планах. Большинство приложений в первую очередь пишется с учетом технологий Intel, что делает эту компанию "законодателем мод", что способствует продаже процессоров в целом. Поэтому Intel, не обладая наиболее интересными и концептуально стройными решениями, но применяя свои наработки вовремя, к месту и в достаточном количестве, в данный момент является лидером по показателям абсолютной производительности.

 Теперь более подробно рассмотрим  архитектуру процессора AMD Athlon.

 

2. Общие сведения о  процессоре AMD Athlon (Thunderbird)

AMD Athlon (Thunderbird) - первый выпускаемый серийно процессор седьмого поколения микроархитектуры x86 - наиболее мощный микропроцессор для x86-совместимых компьютеров. Все семейство процессоров AMD Athlon™ разрабатывается как ядро x86-совместимых компьютеров следующего поколения. Разработка этих процессоров явилась ответом на все возрастающие требования к вычислительной мощи процессоров, предъявляемых со стороны современного программного обеспечения, используемого на персональных компьютерах высокого уровня, рабочих станциях и серверах. Процессоры AMD Athlon для настольных компьютеров выпускались в двух вариантах корпусов: SECC (все модификации) и FCPGA (Thunderbird).

 

 Процессор Athlon в корпусе SECC представляет собой полностью закрытый картридж, содержащий процессорную плату с установленным на ней ядром процессора (во всех модификациях), а также микросхемами кэш-памяти BSRAM (во всех модификациях, кроме процессоров на ядре Thunderbird). Процессор предназначен для установки в 242-контактный щелевой разъём Slot A. В процессорах, основанных на ядрах Argon, Pluto и Orion, кэш-память второго уровня работает на частоте от трети до половины частоты ядра, а в процессорах на ядре Thunderbird — на частоте ядра.

 На процессорной плате также  находится ножевой 40-контактный  технологический разъём, закрытый  картриджем. Разъём содержит контакты, отвечающие за установку напряжения  питания и тактовой частоты.  С помощью специального устройства, подключаемого к процессору, возможно  изменение этих параметров[2].

 Картридж состоит из двух  частей: металлической теплоотводной пластины, контактирующей с кристаллом процессора и микросхемами кэш-памяти (в случае с процессорами, имеющими внешний кэш), а также пластикового кожуха, закрывающего процессорную плату и защищающего установленные на ней элементы от повреждений. Маркировка находится на верхней грани картриджа.

 Процессоры Athlon в корпусе типа FCPGA предназначены для установки в системные платы с 462-контактным гнездовым разъёмом Socket A и представляют собой подложку из керамического материала с установленным на ней открытым кристаллом на лицевой стороне и контактами на обратной (453 контакта). Существовали также процессоры с органической подложкой, выпущенные ограниченной партией[3]. На стороне ядра расположены SMD-элементы, а также контакты, задающие напряжение питания и тактовую частоту (обычно называемые мостиками). Контакты располагаются группами, которые имеют обозначения L1 — L7. Маркировка нанесена на кристалл процессора.

 

 Изначально кристалл не был  защищён от сколов, которые могли  происходить в результате перекоса  радиатора при его неправильной  установке неквалифицированными  пользователями, однако вскоре появилась  защита от перекосов в виде  четырёх круглых прокладок, расположенных  в углах подложки. Несмотря на  наличие прокладок, при неаккуратной  установке радиатора неопытными  пользователями кристалл всё  же мог получать трещины и  сколы (процессоры с такими  повреждениями обычно назывались "ко́лотыми"). В ряде случаев процессор, получивший существенные повреждения кристалла (сколы до 2—3 мм с угла), продолжал работать без сбоев или с редкими сбоями, в то же время, процессор с незначительными сколами мог полностью выйти из строя. Простейший способ проверки процессора на наличие сколов кристалла заключался в проведении по граням кристалла ногтем[4]. В случае наличия сколов палец явно ощущал шероховатость. При наличии лупы или микроскопа сколы определялись визуально. Однако соблюдение мер предосторожности при сборке или установка опытным сборщиком, вместо самостоятельной установки, исключали механические повреждения процессоров с открытым ядром, таких, как процессоры семейства AMD K7 или Intel Pentium III и Celeron с ядром Coppermine.