Процессоры класса 686

Первый из процессоров данного уровня – Pentium Pro имеет чип на базе 5,5 млн. транзисторов и достигает высокого быстродействия за счёт использования динамического выполнения (Dynamic Execution). Микросхема включает два 8 или 16 Кбайт кэш-буфера первого уровня, один для данных и один для инструкций. В другом кристалле находится 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте процессора.

Однако, для использования всех преимуществ Р6 требуются 32-разрядные приложения и 32-разрядные операционные системы. Результаты тестов PC Week Labs приведены в табл. 7 [189;3]. Меньшее время в данных тестах указывает на более высокую производительность.

Таблица 7

По данным Intel, производительность Pentium Pro по сравнению с Pentium выглядит следующим образом [1;61]:

Таблица 8

* За единицу берется производительность CPU DX4-100.

Разработанный в 1997 году процессор Pentium II имеет модификацию, использующую код коррекции ошибок (ЕСС) в кэше второго уровня, что позволяет серверам и рабочим станциям работать там, где важны целостность данных и надёжность хранения информации. Процессор Pentium II реализует архитектуру двойной независимой шины (DIB), технологию ММХ, технологию динамического исполнения, позволяющую повысить производительность ядра процессора за счёт параллельной обработки большого объёма данных за один такт [125; 1]. Для Pentium II используется специальное гнездо S.E.C.(Single Edge Contact cartridge) [45; 1].

Рис. 10. Логотип Pentium II

Компания Cyrix на заводах IBM производила 6х86МХ -32-разрядный суперскалярный и суперконвейерный процессор (М2). Быстродействие данного процессора достигается с помощью применения встроенного унифицированного кэша данных/команд объёмом 64 Кбайт и буфера меток переходов (ВТВ). Модуль управления памятью (MMU) содержит двухуровневый буфер динамической трансляции (TLB). Процессор устанавливается на МП в разъём Socket 7. Следует отметить более низкое энергопотребление у 6х86МХ (19 Вт) по сравнению с Pentium II (34 Вт).

В 1998 г. Cyrix, ставшая дочерней компанией National Semiconductor, выпускает 300, 333 и 350 МГц версии процессора 6x86 MX. Однако, основные усилия компании направлены на разработку интегрированных процессоров MediaGX. В настоящее время основой MediaGX является процессор Cyrix 5x86 с реализованными на кристалле функциями видео- и аудиоадаптера. Результаты тестирования производительности MediaGX 166 по тестам Winstone 97 (табл. 9) можно сравнить с аналогичными результатами для процессоров 6х86МХ и Pentium 200MMX.

Рис. 11. Cyrix МП

Разрабатываемый процессор MediaGX под кодовым названием Jalapeno будет содержать встроенные контроллеры памяти, шины PCI, компоненты поддержки шины IEEE 1394, логику адаптера сети Ethernet и контроллер ввода-вывода Super I/O [53;43]. В 1999 г. компания Cyrix была приобретена корпорацией VIA Technologies – известным производителем чипсетов.

Таблица 9

Источник: Cyrix Instead против Intel Inside // PC WEEK. – 1997. – № 42. C.47.

Другой конкурент Intel – фирма AMD разработала в 1997 г. процессор AMD-К6 для прямой конкуренции с Pentium II. Насколько это справедливо, можно судить из табл. 10. Однако, следует отметить, что К6 имеет суперскалярную архитектуру с шестью одновременно исполняемыми RISС86-командами. Процессор включает в себя семь параллельных исполнительных блоков, среди которых ММХ-блок. К6 обеспечивает декодирование х86-команд в операции RISC86, двухуровневое предсказание ветвлений с точностью 95%, имитационное и внеочередное исполнение команд, переименование регистров и передачу данных. Процессор оснащён 64 Кбайт кэш-памяти первого уровня (32 Кбайт для команд и 32 Кбайт для данных) [174;61].

Pис. 12

Одним из серьёзных конкурентов Pentium и Pentium II стали в 1998 г. AMD-K6-2 (K6-3D) и AMD-K6-3 (K6-3D+), имеющие более 20 дополнительных инструкций дня вычислений с плавающей запятой (для поддержки 3D-графики и мультимедийных приложений). Процессор K6-3D поддерживает на аппаратном уровне высококачественный звук Dolby Surround АС-3 и видеоизображение по стандарту- MPEG-2, а также стандарт Microsoft DirectX. Процессор содержит 9,3 млн. транзисторов и производится по 0,25-микронной технологии, имеет тактовую частоту от 266 МГц. Развитием K6-3D можно считать AMD K6+ 3D с кэш-памятью второго уровня 256 Кбайт, имеющим 21 млн. транзисторов и тактовую частоту до 400 МГц. Данный процессор поддерживает кэш-память третьего уровня.

Технология 3DNow! в процессорах AMD-K6-2 и AMD-K6-3 представляет собой дополнительный набор из 21 специализированной команды, предназначенный для ускорения обработки 3D-графики. В их основе лежит та же архитектура SIMD (Single Instruction Multiple Data – обработка одной командой нескольких потоков данных), что и в ММХ-командах, но последние работают с целыми числами, а 3DNow! – с вещественными. Кроме того, в состав новых команд включены инструкции для целочисленных SIMD-операций специально для ускорения MPEG-декодирования. Для внутреннего хранения данных команды 3DNow! и ММХ используют единый блок 64-разрядных регистров, предназначенных для хранения чисел с плавающей запятой. Одновременно в конструкцию процессора внесены изменения, которые ускоряют переключение между инструкциями ММХ и обычными командами с плавающей запятой и оптимизируют работу с кэш-памятью первого уровня [80; 14].

Показатели производительности микропроцессоров Intel и AMD приведены в табл. 10 [70;25]:

Таблица 10

В течение 1998 года компания Intel выпускала различные модели процессоров Pentium II, имеющих следующие характеристики:

• тактовая частота – 233, 266, 300, 333, 350, 400, 450 МГц;

• кэш-память второго уровня – 0, 128, 256, 512, 1024, 2048 Кбайт;

• частота системной шины и пропускная способность – 66 МГц (533 Мбайт/с), 100 МГц (800 Мбайт/с);

• пропускная частота графической шины – 512, 1024 Мбайт/с;

• интегрированные подсистемы – программный модем, графика, подсистема памяти;

• поддержка многопроцессорных конфигураций – 1, 2, 4, 8;

• напряжение питания – 3.3, 2.5, 1.8, 1.7 В;

• разъём и корпус – Slot 1 (2 варианта), Slot 2, варианты для мобильных систем (TCP, мини-картридж, модуль).

Рис. 14. Логотип Intel Celeron

Для мини-блокнотных ПК был разработан процессор Pentium II с пониженным напряжением питания. В 1999 г. этот показатель снижен до 4 Вт. Кроме того, проект Intel Geyserville предусматривает увеличение времени работы портативной машины на одной зарядке аккумулятора.

Следует отметить, что модель Pentium II без кэш-памяти (Celeron) предназначается для наиболее чувствительного к цене сектора рынка ПК. Удаление кэш-памяти и применение шины с частотой 66 МГц в этой модели ведёт к снижению производительности ПК, что даёт преимущество конкурирующим производителям [69;26]. Однако, повышение тактовой частоты процессора до 700 МГц и выше, интеграция 128 Кбайт кэш-памяти вместе с разумной ценовой политикой позволит, по нашему мнению, сохранить конкурентные позиции Intel в сегменте наиболее дешевых ПК.

Процессор Pentium III с кодовым названием Katmai, выпущенный в 1999 г., стал значительным расширением архитектуры х86. Речь идёт о новом дополнительном наборе из 70 SIMD-команд, то есть применяется технология SSE (Streaming SIMD Extensions). Набор команд SIMD отличается от технологии ММХ тем, что последняя включает 57 аналогичных операций, но для целочисленных данных.

Рис. 13. Логотип Intel Pentium III

Наряду с Pentium III на основе ядра Katmai производится более новая модификация Pentium III на базе ядра Coppermine. Основные отличия двух вариантов процессоров: Coppermine выпускается по 0,18 мкм технологии и может иметь до 28 млн. транзисторов, по сравнению с 9,5 у Pentium III на ядре Katmai. У новой модификации кэш память L2 встроена в процессор и работает на полной тактовой частоте процессора.

Компания Cyrix, подразделение VIA, предлагает в 2000 г. модификацию своего процессора VIA Cyrix III. Процессор производится по 0,18 мкм технологии, имеет размер 76 мм², 128 Кбайт кэш-памяти L1, потребляет менее 10 Вт, работает на частоте от 533 до 667 МГц, при этом частота шины – до 133 МГц.

Рис. 15. Процессор Cyrix III

В 1997-1999 г. компания AMD испытывала значительные трудности, ей пришлось продать все направления деятельности, кроме производства Flash-памяти и процессоров, казалось, ничего не сможет помешать Intel удерживать абсолютное лидерство на рынке микропроцессоров. Однако, для Intel все пошло не так безоблачно.

Рис. 16. Логотип AMD Athlon

Во второй половине 1999 г. у Intel возникли ряд существенных проблем. Новые 700 и 730 МГц процессоры Pentium III, выпущенные в октябре, могли реализовать свои преимущества только на шине с тактовой частотой 133 МГц, а выпуск соответствующего основного набора микросхем i820 был отложен. Поэтому новые процессоры остались невостребованными компьютерной индустрией. Другой проблемой Intel стала активность компании AMD.

Рис. 17. Логотип AMD Duron

Процессор AMD с ядром К7 и именем Athlon, появление которого состоялось в августе 1999 г. стал производиться с использованием интерфейса шины Alpha 21264, лицензированный у корпорации Digital Equipment. Первоначальная тактовая частота составила 500, 550 и 600 МГц. Следствием появления удачного процессора компании AMD и производственных проблем ее основного конкурента стало увеличение рыночной доли до 30%. Более того, по статистическим сводкам компании PC Data, за октябрь 1999 г. на долю машин с процессорами AMD Athlon пришлось 38% продаж всех настольных ПК стоимостью от 1500 до 2000 USD.

Однако, проблемы возникали и у AMD. Успехи конца 1999 г. было необходимо подкреплять новыми разработками, переходом на новый технологический процесс. Наращивая тактовую частоту своих процессоров, AMD не получала пропорционального роста производительности. Причиной тому являлась кэш-память L2, которая работала на первых процессорах Athlon на частоте, равной половине частоты ядра, а начиная с Athlon 700 компании пришлось отказаться от такого соотношения, так как не было возможности производить кэш-память с частотой выше 350 МГц. Поэтому следующие процессоры Athlon 750, 800 и 850 производились с кэш-памятью на частоте 300-333 МГц.

У Intel не было таких проблем, так как кэш память Pentium III размером 256 Кбайт была интегрирована в процессор и работала на его полной частоте. AMD пришлось изменить конструкцию процессора и разработать Athlon на основе ядра Thunderbird. В новой конструкции, как и у Pentium III на базе ядра Coppermine, кэш-память в 256 килобайт интегрирована в ядро процессора.

Определенный успех у AMD безусловно сохранялся и в начале 2000 г., но компании не давало покоя лидерство Intel в сегменте недорогих ПК. И в конце июня AMD представляет в России новый микропроцессор Duron, который предназначается для недорогих ПК стоимостью менее 1 тыс. USD.

Маркетологам, безусловно, хорошо известно с каким вниманием следует подходить каждый раз к новому марочному названию. При появлении нового процессора AMD российская пресса отреагировала незамедлительно: «известно, что название подбиралось с особой тщательностью, с учетом того, что произноситься оно будет в сочетании со словами практически всех языков планеты». Название «Duron» имело широкий резонанс не только в России, но и в США, так как оно удивительным образом совпало с названием компании-производителя красок, лаков и отделочных материалов. Однако, задумка AMD заключалась несколько в другом, название происходит скорее от латинского слова «durare» (достаточный, последний) и суффикса «-on». AMD хотела всего лишь подчеркнуть, что возможностей нового процессора хватит надолго, и пользователи могут не задумываться о покупке более мощных микросхем.

Конструкционно Duron сочетает в себе ядро микропроцессора AMD Athlon и размещенную на кристалле кэш-память второго уровня емкостью 192 Кб, работающую на основной частоте. Системная шина имеет частоту 200 МГц. Как и другие процессоры AMD, Duron поддерживает расширенную технологию 3DNow! и производится с тактовой частотой от 600 МГц.

В 2000 г. AMD Athlon поддерживает высокую производительность для современных приложений, требовательных к вычислительным возможностям, так как производятся с кэш-памятью второго уровня размещенной на кристалле процессора, поддержкой памятью спецификации PC 133, 200-МГц системной шиной, что увеличивает его производительность. AMD Athlon поставляется со следующими тактовыми частотами: IGHz, и 950, 900, 850, 800 и 750MHz, в двух вариантах – для разъемов Slot А и Socket A.

Получить сравнительную производительность новых процессоров класса 686 не просто, однако приблизительные данные [203] представляют интерес:

Производительность процессоров Intel и AMD, выпускающихся в 2000 г.

Таблица 11

Процессор Intel Pentium 4 (кодовое название Willamette) спроектирован с учетом необходимых изменений архитектуры 686:

• появление асимметричного ядра, с блоками, работающими на различных скоростях;

• новая версия суперскалярного механизма исполнения инструкций;

• новый кэш, отслеживающий порядок выполнения инструкций;

• переработанные блоки операций с мультимедиа данными и числами с плавающей запятой;

• набор новых инструкций SSE2 (Streaming SIMD Extensions 2);

• новая 100 МГц шина, передающая по 4 пакета данных за такт.

144 новые инструкции из набора SSE2 это:

1) 76 совершенно новых инструкций, оперирующие с широким диапазоном данных (включая числа с плавающей запятой двойной точности и целые числа из 4 слов), часть из них позволяет программе брать на себя контроль над механизмами кэширования, загрузки и хранения данных в регистрах процессора;

2) 68 расширенных SIMD инструкций для работы с целыми числами. Если в Pentium II/III они работали только с 64-бит ММХ регистрами, то в Pentium 4 они уже смогут использовать 128 бит регистр ХММ этого процессора.

Рис. 18. Логотип Intel Pentium 4

Тактовая частота первого продемонстрированного процессора Pentium 4 составила 1500 МГц (1,5 ГГц), хотя возможен выпуск и более медленных CPU. Производительность процессора возрастет, в основном, за счет своей тактовой частоты: Pentium III Coppermine и Pentium 4 Willamette, работающие на одной и той же тактовой частоте, не отличаются по производительности в операциях с целыми числами, а при выполнении операций с плавающей запятой последний производительнее на 5 %. Один из основных резервов производительности Pentium 4 – возможность повышения тактовой частоты на 100 МГц в квартал.