PRZEGLĄD PROCESORÓW RODZINY x86 FIRMY AMD 64-bitowych

Data	Autor	Grupa	Sprawdzający	Ocena
28.12.2007	Anusiewicz Krzysztof	I5X1S0	dr inż. Andrzej Stasiak

1. Wprowadzenie.

Od momentu, w którym pojawiły się pierwsze procesory, technologia komputerowa rozwija się w zastraszającym tempie, przenikając praktycznie wszystkie aspekty naszego życia. Coraz popularniejsze stają się komputery przenośne, komputery pokładowe w samochodach czy samolotach wspomagające ich pracę. Czy ktoś wyobraża sobie jeszcze istnienie biblioteki bez katalogu dostępnego w Internecie, dostępnego z każdego komputera podłączonego do sieci? Od momentu, kiedy wyprodukowano pierwsze procesory, na ich rynku istnieją dwie firmy, które prowadzą bezprecedensową walkę o klienta i jednocześnie napędzają rynek procesorów na świecie. Jedną z nich zajmę się w niniejszej pracy, a mianowicie, chciałbym przedstawić konkretne rozwiązania oferowane przez firmę AMD (Advanced Micro Devices) z serii 64-bitowych procesorów rodziny x86.

Firma AMD zapoczątkowała swoją działalność w latach 1969-1978 proponując własne, oryginalne rozwiązania bazujące jednak na produktach innych firm. Do roku 1900 produkowano procesor 286 oraz inne podzespoły na nim oparte. Rok 1990 jest wyjątkowy, dlatego, że właśnie wtedy Microsoft wprowadził do sprzedaży swój nowy system operacyjny Windows 3.0, który jednocześnie zapoczątkował nową „erę procesorów 32-bitowych” używanych do dnia dzisiejszego. Procesory te były rozwijane przez wiele lat poprzez wprowadzanie nowych technologii polepszających możliwości obliczeniowe procesorów. Jednak w 2003 roku światło dzienne ujrzały pierwsze procesory 64-bitowe. Rok ten powszechnie uważa się za początek „ery procesorów 64-bitowych”. Procesory te uważane są dziś jako standardowe wyposażenie komputerów domowych, rozwiązań serwerowych i wielu innych.

Do czego tak naprawdę możemy wykorzystać możliwości oferowane przez procesory 64-bitowe? Powszechnie uważa się, iż system operacyjny Microsoft Windows Vista x64 zapoczątkuje pewien nowy rozdział w rozwoju aplikacji i systemów 64-bitowych, ja jednak uważam, że pełen potencjał tkwiący wewnątrz tychże procesorów nie zostanie odkryty przez najbliższych klika, kilkanaście lat. Przy przejściu z technologii z 16- na 32-bitową zajęło to prawie 10 lat.

Przejdę zatem do omówienia rozwiązań 64-bitowych oferowanych przez AMD.

1. Procesory 64-bitowe firmy AMD

AMD oferuje cztery produkty wspierające 64-bitową technologię, każdy z nich przeznaczony jest do innych zastosowań i oferuje inną funkcjonalność. Wszystkie procesory, którymi się zajmę pomimo, iż dedykowane są na platformę 64-bitową mogą bez problemu pracować w trybie 32-bitowym. Jest to pewnego rodzaju ukłon w stronę użytkownika, który nie musi od razu zaopatrywać się w oprogramowanie 64-bitowe (na dzień dzisiejszy jest ono jeszcze stosunkowo drogie) ale może pracować w trybie 32-bitowym i w najbardziej dogodnym dla siebie momencie przejść na platformę 64-bitową. Wszystkie procesory 64-bitowe AMD są oparte o tą samą architekturę x86-64, która obecnie nosi nazwę AMD64.

Chciałbym tutaj scharakteryzować poszczególne produkty 64-bitowe firmy AMD.

• AMD Athlon 64

Jest to pierwszy procesor 64-bitowy AMD kompatybilny z systemami Windows, przeznaczony do zastosowań w komputerach stacjonarnych i laptopach. Zawiera w sobie obsługę takich rozwiązań jak : AMD EVP (Enhanced Virus Protection), PowerNow!, Cool’n’Quiet, HyperTransport i 3D Now!. Tak naprawdę jest to uproszczona wersja procesora AMD Opteron. Jedynym ograniczeniem jest brak możliwości pracy Athlona w układach wieloprocesorowych. Procesor występuje w kilku wersjach: pracująca na gnieździe 754, 939 oraz AM2. Do tej drugiej grupy zalicza się procesory serii FX oraz X2 (dwurdzeniowe). Najważniejszą cechą procesorów zaliczanych do trzeciej grupy jest zintegrowany kontroler pamięci DDR2.

• AMD Opteron

Jest pierwszym procesorem ósmej generacji (opartym o jądro K8). Jego głównym przeznaczeniem są serwery oraz tzw. klastry komputerowe¹. Architektura tej klasy procesorów wprowadza kilka nowości w stosunku do poprzednich osiągnięć AMD, takich jak: zintegrowany kontroler pamięci, DirectConnect. Ponadto procesory te obsługują technologię HyperTransport oraz PowerNow!. Na bazie procesorów Opteron można zbudować system wieloprocesorowy składający się maksymalnie z 83 procesorów. Są to procesory zarówno jedno-,dwu- jak i czterordzeniowe.

• AMD Turion 64

Jest to technologia skierowana głównie do użytkowników komputerów przenośnych – laptopów. Są to procesory w pełni zgodne z architekturą x86, obsługują instrukcje AMD64. Został on zbudowany w oparciu o procesor AMD Opteron, tak samo jak miało to miejsce w przypadku procesorów Athlon 64. Podobnie jak powyższe procesory, Turion obsługuje technologie: EVP, PowerNow!, HyperTransport, 3DNow!. Ponadto jest kompatybilny ze standardami 802.11a b/g, czy BlueTooth, które są podstawowym wyposażeniem dzisiejszych komputerów przenośnych.

• AMD Sempron

Początkowo procesor ten był produkowany tylko i wyłącznie w wersji 32-bitowej, jako następca Athlona XP na podstawce 462 (Socket A). W późniejszym okresie na rynku zaczęły pojawiać się wersje 64-bitowe, pracujące na podstawce 754, 939 a nawet AM2. Procesor przeznaczony jest głównie do zastosowań biurowych, obecnie bardzo rzadko spotykany, wypierany z rynku przez inne, mocniejsze procesory.

• AMD Phenom

Wchodzące obecnie na rynek procesory serii K10 również opartej na architekturze AMD64. Mimo tego, że Intel wyprodukwoał niedawno procesory w tehcnologii 45nm, AMD nadal pozostaje przy dotychczasowej 65nm. AMD zapowiedziało również, że technologia 45nm zostanie wprowadzona w 2009 roku. Procesory Phenom będą oferowane w trzech wariantach: dwurdzeniowy X2, trzyrdzeniowy X3 i czterordzeniowy X4. Procesory Phenom wprowadzają szereg nowych możliwości, wykorzystując między innymi unowocześnione technologie HT w wersji 3.0 czy Cool’n’Quiet 2.0.

1. Technologie i architektura AMD64

Dokonując krótkiej charakterystyki procesorów 64-bitowych AMD napisałem o różnych technologiach, przez nie wykorzystywanych. W celu lepszego zrozumienia niniejszego referatu, chciałbym na chwilę zatrzymać się i opisać krótko najwazniejsze z nich, a następnie przybliżyć ogólne cechy architektury AMD64.

• Enhanced Virus Protection (EVP)

Jest to technologia zapobiegająca wykonywania kodu źródłowego programu, szkodliwego dla komputera bez wiedzy lub pozwolenia użytkownika. Pozwala ona na tworzenie przez system operacyjny w pamięci RAM obszarów do odczytu/zapisu ale nie wykonywania programów. Dzięki temu możliwe jest zapobieganie atakom polegającym np. na przepełnieniu bufora.

• HyperTransport (HT)

Znana też pod nazwą Lightning Data Transport (LDT) jest bardzo rozpowszechnioną technologią używaną przez największe firmy produkujące podzespoły komputerowe m.in. AMD, VIA, NVIDIA, SiS, CISCO. Jest to dwukierunkowe wysoko przepustowe szeregowo – równoległe połączenie typu punkt – punkt o niskim czasie oczekiwania. Dostępny w trzech wersjach 1.0, 2.0 i 3.0, które działają w częstotliwościach od 200 MHz do 2.6 GHz.

W procesorach AMD64 technologia HT jest wykorzystywana przy kontakcie procesora z wszelkimi urządzeniami wejścia/wyjścia oraz z kartą grafiki. Dzięki temu firmie AMD udało się znacznie przyspieszyć komunikację procesora z urządzeniami I/O jak np. dyski twarde, karty Ethernet czy urządzenia interfejsu USB. Powyższy schemat ilustruje zastosowanie tejże technologii. Szczytowa przepustowośc magistrali to 6.4 GB/s.

Ponadto technologia ta jest wykorzystywana przy tworzeniu platform wieloprocesorowych w połączeniu z technologią DirectConnect.

• Dual Socket Direct Connect

Jest to magostrala o wysokiej przepustowości pozwalająca na komunikację pomiędzy dwoma procesorami dwurdzeniowymi AMD z serii FX-70, FX-72 oraz FX-74. Pozwala na nawet dwukrotne zwiekszenie wydajności w porównaniu do platformy jednoprocesorowej (dwurdzeniowej). Oparta jest o szerego łączy Hyper Transport.

• 3DNow!

Jest to rozszerzony zestaw instrukcji, mający na celu zwiększenie wydajności procesorów podczas obliczeń zmiennoprzecinkowych niezbędnych przy przetwarzaniu grafiki i multimediów. Rozszerzenie to jest rozwijane począwszy od procesorów generacji K6. Warto wspomnieć, że dzięki tej technologii w jednym cyklu procesora można dokonać aż do 4 obliczeń na liczbach zmiennoprzecinkowych.

• Cool’n’Quiet

Dzieki tej technologii, wprowadzonej razem z pierwszymi procesorami Athlon 64, możliwe jest zmniejszenie poboru mocy procesora jeżeli nie jest on intensywnie eksploatowany. Oznacza to, że w zależności od obciązenia procesora zmieniany jest jego mnożnik i podawane napięcie pracy, tak żeby przy mniej zasobożernych aplikacjach procesor nie pracował na pełnych obrotach.

• AMD64

Tym mianem określana jest architektura, która zapoczątkowała erę procesorów 64-bitowych do użytku komercyjnego. Określana inaczej jako x86-64 jest tak naprawdę nowym zestawem instrukcji działających na 64-bitowych operandach. Głównym powodem jej wprowadzenia było zapotrzebowanie na mozliwość adresowania większej pamięci przy użyciu 32-bitowej szyny adresowej. Ponadto wraz z wprowadzeniem AMD64, procesory wyposazono w zwiększoną liczbę rejestrów ogólnego przeznaczenia jak i rejestrów do obliczeń zmienno przecinkowych (w obu przypadkach z 8 do 16).

Obecnie mówi się o mozliwości zaadresowania 1TiB pamięci operacyjnej (terabajta), jednak w wielu artykułach spekuluje się o prawdopodobnym zwiększeniu tej pamięci do 2EiB (eksabajtów)! Moim zdaniem na taki rozwój trzeba będzie poczekać jeszcze kilka (2-4) lat.

Wspomniałem wcześniej o technologii EVP stosowanej w omawianych przeze mnie procesorach AMD. Tak naprawdę technologia ta jest integralnym elementem procesora, jakko że opiera się na istnieniu specjalnego bitu NX (No Execute). Oznaczając w ten sposób pewien obszar pamięci, blokujemy mozliwośc wykonywania z niego jakichkolwiek instrukcji. Niestety nie daje to 100% ochrony przed każdym rodzajem złośliwego oprogramowania. Ma ona jednak zastosowanie w przypadku tzw malware.

Trzeba również przypomnieć, że wszystkie procesory 64-bitowe, są w pełni kompatybilne wstecz co oznacza, że w trybie 64-bitowym bez problemu uruchomimy na nich każdą aplikację 32-bitową, a ponadto mogą pracować w trybie 32-bitowym nie wykorzystując przy tym rozszerzonych rejestrów. 64-bitowy tryb pracy określany jest mianem trybu long (można na nim uruchamiać aplikacje zarówno 64- jak i 32-bitowe), tryb legacy jest natomiast określeniem na tryb wyłącznie 32-bitowy.

Ponizszy schemat blokowy przedstawia architekturę procesorów generacji K8.

Mając za sobą krótką charakterystykę możliwości jakie oferują procesory 64-bitowe AMD przejdę do szczegółowego omówienia poszczególnych procesorów.

1. AMD Opteron

Głównym obszarem zastosowań procesorów Opteron, które po raz pierwszy ujżały światło dzienne w 2003 roku, są serwery i klastry komputerowe o czym wspomniałem już wcześniej. Są to pierwsze procesory, w którym zastosowano architekturę AMD64 oraz zintegrowany kontroler pamięci, rozwiązanie nigdy wcześniej nie spotykane w procesorach rodziny x86. Dzięki niemu kontroler pamięci pracuje na szynie o takiej samej częstotliwości jak procesor, a ponadto pozwoliło to na skrócenie trasy jaką do tej pory musiały pokonywać impulsy elektryczne między procesorem i pamięcią. Zaowocowało to zmniejszeniem czasu dostepu do pamięci w porównaniu do poprzednich rozwiązań AMD oraz ówczesnych procesorów firmy Intel.

Ponieważ głównym przeznaczeniem Opteronów są serwery, możliwa jest praca dwóch lub więcej procesorów na jednej płycie głównej przy wykorzystaniu wspomnianej przeze mnie architektury Direct Connect. Każdy procesor ma mozliwość wglądu do pamięci innego procesora bez wiedzy programisty. Swoistą nowością w tym rozwiązaniu jest właśnie oddzielna pamięć każdego z procesorów, a nie jak w tradycyjnym podejściu – wspólne zasoby. Jednocześnie w tej technologii możliwe jest połączenie do 8 procesorów.

Dość ważną modyfikacją oprócz ocz w porównaniu do poprzedników, jest powiększony rozmiar bufora TLB (Translation Lookaside Buffer ), służącego do tłumaczenia adresów w trybie wirtualnym. Układy odpowiedzialne za ten element są szybsze, wprowadzono ulepszone algorytmy przewidywania skoków. Jest to jedna z wielu modyfikacji architektury, która pozwoliła na znaczne zwiększenie liczby instukcji wykonywanych w ciągu jednego cyklu procesora (IPC – Instruction Per Cycle).

W chwili obecnej wprowadzane są na rynek procesory Opteron czterordzeniowe trzeciej generacji, które oferują między innymi możliwość niezależnej konfiguracji częstotliwości rdzeni, zwiększoną przepustowość przy kontaktach z pamięcią i trzypoziomową pamięć Cache. Na jednej maszynie możliwe będzie (teoretycznie) zamontowanie do 83 procesorów (jądro Barcelona).

Procesory Opteron stały się podstawą do wyprodukowania procesorów Athlon i jego pochodnych. Częstotliwości pracy Opteronów: od 1400 do 3000 MHz.

1. AMD Athlon

   1. Athlon 64

Athlon jest pierwszym procesorem 64-bitowym procesorem do zastosowań domowych, kompatybilnym z systemami Windows. Premiera procesora odbyła się 23 września 2003 roku i stanowiła swoisty przełow w dziedzinie technik komputerowych. Pierwsze procesory były zaprojektowane do pracy na podstawce 940 i wymagały do poprawnej pracy pamięci buforowanej. Później jednak wprowadzono procesory działające na podstawkach 939 i obecnie AM2, które nie wymagają już zakupu specjalnych pamięci. Jako że Athlony są oparte o tą samą architekturę (zintegrowany kontroler pamięci, bufor TLB…) opiszę tylko po krótce historię ich rozwoju.

Pojawienie się w 2004 roku nowych procesorów przeznaczonych na podstawkę 939 pozwoliło producentom między innymi zwiekszyć częstotliwośc szyny HT z 800 do 1000 MHz, a także wprowadzić kontroler umożliwiający obsługę pamięci w trybie Dual Channel. Późniejsze ulepszenia polegały praktycznie tylko na zwiększeniu ilości pamięci cache w procesorach (do 1024 Kb w modelach SanDiego). Na poniższym rysunku przedstawiony jest właśnie ten model - widać, że ponad połowę powierzchni procesora zajmują układy pamięci cache drugiego poziomu (po prawej).

Znaczącą wadą procesorów AMD okazał się brak obsługi pamięci DDR2, zaadoptowanych znacznie wcześniej przez Intela. Dopiero zaprezentowane w 2006 roku procesory Athlon X2 na podstawce AM2 zaoferowały mozliwość używania tych modułów pamięci.

Procesory Athlon 64 były najpierw produkowane w technologii 130nm, natomiast w późniejszym okresie również 90nm. Do najbardziej znanych nazw kodowych zaliczyć można: ClawHammer, NewCastle, Winchester, Venice czy Lima. Częstotliwości tych procesorów wahają się od 1800 do 2600 MHz.

1. Athlon 64 FX

Procesor przeznaczony przede wszystkim dla graczy i fanów overclockingu. Jako jedyne procesory AMD, Athlon 64 FX maja całkowicie odblokowane mnożniki, oferując jednocześnie największe mozliwości zwiększenia częstotliwości taktowania. Wszystkie modele dostępne obecnie na rynku posiadają co najmniej 1024 KB pamięci cache. Obecnie z tej serii dostępne są na rynku procesory dwurdzeniowe, a od modelów FX-70 umożliwia obsługę platform dwuprocesorowych połączonych za pomocą Direct Connect

1. Athlon 64 X2

Jest to pierwszy dwurdzeniowy procesor wyprodukowany przez AMD. Składa się z dwóch rdzeni Athlon 64 na jednym układzie scalonym wzbogaconym o dodatkowe ukłądy logiczne. Rdzenie dzielą między sobą wspólną magistalę dostępu do pamięci i w zależności od modelu posiadają 512 lub 1024 KB pamięci Cache dla każdego rdzenia. W lipcu 2007 roku na rynek wprowadzono Athlona X2 wykonanego w technologii 65nm o zmniejszonym poborze mocy.

Najważniejszą zaletą procesorów dwurdzeniowych jest zwiększenie ilości zadań wykonywanych w tym samym czasie przez procesor. Jednak dotychczasowe programy jednowątkowe nie skorzystają z tego udogodnienia. W zależności od aplikacji i modelu procesora wzrost wydajnosci w porównaniu do jednordzeniowego Athlona 64 może wahać się od 10 do 40%. Obecnie produkowane procesory nazywane są Athlon X2, jako że AMD nie planuje już produkcji procesorów 32 bitowych. Znaczącą zmianą jest wprowadzenie obsługi instrukcji SSE3, co oznacza pełną kompatybilność z aplikacjami, które wcześniej działały tylko z procesorami Intela. Jak wspominałem wcześniej procesory X2 wprowadzają również obsługę kości pamięci DDR2 (niebuforowanych), a także sprzętowe wspomaganie obłsugi maszyn wirtualnych określne mianem AMD Visualization, lub po prostu AMD-V.

Procesory te są obecnie produkowane na dwie podstawki: 939 oraz AM2, i taktowane są częstotliwościami od 1900 do 3200 MHz. Najbardziej znane nazwy kodowe to: Toledo, Brisbane, Windsor. Poniżej schemat ideowy procesora na podstawce 939.

1. AMD Turion 64

Procesory Turion, oparte na architekturze AMD64, sa przeznaczone na platformy mobilne. Tak samo jak u poprzedników, Turiony posiadają zintegrowany kontroler pamięci zmniejszający czas oczekiwania dostępu do pamięci i obsługują wszystkie opisane wcześniej technologie. Turiony współpracują ze wszystkimi modułami pamięci montowanymi w laptopach (PC3200, PC2700, PC2100 lub PC1600 DDR SDRAM ). W 2006 roku wprowadzono również dwurdzeniowe Turiony X2 z obsługą pamięci DDR2. Wszystkie turiony są produkowane w technologii 90nm, oprócz rdzenia Tyler procesora Turion X2 wykonanego w technologii 65nm. Nowością w procesorach X2 jest użycie architektury Direct Connect do połączenia ze sobą rdzeni procesora, jak i samego procesora z kotnrolerami pamięci (oddzielny kontroler dla każdego rdzenia). Częstotliwości pracy procesorów wahają się od 1600 MHz do 2400MHz, a dostępna pamięć Cache 512 lub 1024 KB. Wszystkie jednordzeniowe Turiony pracują na podstawce 754, natomiast od 2006 roku także na podstawce S1 (głównie Turion X2). Poniżej zamieszczam schemat ideowy procesora Turion 64.

1. AMD Phenom

Jest to najnowsze osiągnięcie naukowców z AMD, należący do dziesiątej generacji procesorów (K10) Phenom składa się z czterech dwóch, trzech lub czterech rdzeni. Jednak AMD nastawia się głównie na produkcję tych ostatnich. Najprawdopodobniej procesory dwurdzeniowe Phenom, otzrymają nazwę Athlonów X2. Phenom oferuje oprócz 512 KB pamięci Cache drugiego poziomu dla każdego jądra, dodatkowe 2 MB pamięci Cache trzeciego poziomu współdzielone przez każde jądro. Niestety w tym nowym rodzaju pamięci Cache wykryto błąd, który w specyficznych okolicznościach powoduje zatrzymanie pracy systemu. Istnieją aplikacje, które pozwalają na ominięcie tego problemu, ale kosztem wydajności pracy. Procesory pozbawione tej usterki mają pojawić się w pierwszym kwartale 2008 roku, natomiast w 2009 oczekiane jest wypuszczenie pierwszych Phenomów wykonanych w technologii 45nm.

Ponadto AMD wraz z nowym procesorem dodaje szereg unowocześnień takich jak 128-bitowa jednostka obliczeniowa wspomagająca działania na liczbach zmiennoprzecinkowych, oddzielne źródła zasilania dla każdego rdzenia znacznie zmniejszające pobór proądu całego procesora czy nową technologię CoolCore, która pozwala procesorowi wyłączyć nieużywane w danym momencie elementy (np. podczas odczytu z pamięci można wyłączyć układy do zapisu). Ponadto technologia HT, oznaczona już wersją 3.0 pozwala na szczytową przepustowośc rzędu 14,4GB/s. Poniżej schemat ideowy pobrany ze strony producenta.

1. Podsumowanie

Kiedy na rynek wchodziły pierwsze procesory 16- i 32-bitowe, chyba nikt się nie spodziewał, że technologia wytwarzania procesorów zajdzie tak daleko. Obecne procesory nie dośc, że stają się coraz mniejsze zawierają coraz więcej rdzeni, a także układów, których nigdy wcześniej tam nie stosowano. Jednocześnie na rynku toczy się wielka batalia pomiędzy dwoma gigantami: Intelem i AMD. Pomimo, iż AMD niejednokrotnie pokazało swiatu, że potrafią zrobic coś odmiennego, a zarazem lepszego, to Intel wydaje się być zawsze o krok do przodu z nowymi technologiami, a przez to bardziej pożądanymi.

Bibliografia:

*Materiały promocyjne producenta (www.amd.com)

*Dokumentacja techniczna procesorów

*PC Format, CHIP – artykuły w wersji elektronicznej

*Wikipedia (http://en.wikipedia.org)

---

1. Klaster komputerowy (and. cluster) - grupa połączonych jednostek komputerowych, które współpracują ze sobą w celu udostępnienia zintegrowanego środowiska pracy.↩