Téma týdne: Uvnitř procesoru – trendy

Datová šířka aneb budou 128bitové procesory?

Od čtyř a osmibitových procesorů se kdysi přešlo k 16 a 32bitovým. Od těch se přechází k 64bitovým. A kam se přejde od 64bitových procesorů?

Předchozími větami je nyní čtenář tlačen k názoru, že to budou 128bitové procesory. Ano, dříve nebo později tomu tak skutečně bude. Dnes to ale vypadá, že se tak stane později (či mnohem později). Pro příštích několik let tedy jednoznačně změna nehrozí.

Počet jader

Pod pojmem „jádro“ se rozumí procesor. Když se více procesorů umístí do jednoho pouzdra, mohlo by se používat označení „víceprocesorový procesor“. Rekurzi ale na tento pojem použít nelze, a tak se používá vícejádrový procesor. Pokud se někde očekává prudký vývoj, je to právě zde. Počet jader se bude zvyšovat, mnohdy nečekaně rychle.

Dvě jádra má překvapivě mnoho dnešních procesorů. Začněme podle abecedy od AMD Athlon 64 X2 Dual-Core a Dual-Core Opteron, IBM PowerPC 970MP, Intel Core Duo či Pentium D nebo Dual-core Xeon. Mezi procesory ze světa „velkých“ počítačů patří IBM POWER4 a novější, HP PA-8800 a novější, Sun Microsystems UltraSPARC IV a UltraSPARC IV+.

Čtyři jádra se zatím moc neobjevují; tento krok se považuje za logické pokračování dvoujádrových procesorů. Někteří výrobci nechtěli dělat malé krůčky, a tak použili rovnou osm jader. Sem patří Sun UltraSPARC T1 a řada Cavium Octeon MIPS64. První jmenovaný prožívá nákupní šílenství, protože je pro weby a databáze pořádným šťouchancem do slabin. Výrobce chce představit v blízké době následovníka zvaného UltraSPARC T2, kde má být posílený matematický výkon.

Není to dlouho, co se objevila zmínka o 1025jádrovém procesoru IBM Kilocore1025. Znamená to tedy 1025 procesorů na jednom kousku křemíku. Proč tolik? 1024 8bitovým procesorům bude „vládnout“ jeden procesor PowerPC stylem přidělování práce. Výpočetní výkon by neměl být 1024násobný oproti současným procesorům, ale „jen“ desetinásobný. Takový procesor může docela dobře sloužit tam, kde se souběžně zpracovávají tisíce malých úloh.

Speciální jednotky

Oddřít vše obecnými jednotkami je sice fajn, ale strašně dlouho to trvá. Pokud se nějaká činnost může zjednodušit specializovanou součástkou, může to zvýšit výkon mnohonásobně, a tím lze zvýšit efektivitu práce počítače. Mezi takové speciální jednotky patří i matematický koprocesor a všechny SIMD sady typu MMX či 3DNow! Je stále plno úloh, které jde výrazně zrychlit. Typicky jde původně o samostatnou jednotku, která časem splyne s procesorem. To se stalo matematickému koprocesoru.

Důkazem toho, že je ještě mnoho úloh ke zrychlení, jsou procesory VIA Technologies. Tento nováček na poli procesorů si uvědomil, že stále roste potřeba šifrování. Může jít jak o přenos dat přes internet, tak po lokální síti, šifrování dat na pevném disku a podobně. Šifrovací centrum v procesoru nazval VIA PadLock Security Engine. Začal s procesory VIA C3 a pokračoval na procesoru VIA C7.

Mezi další výzvy patří například komprese a dekomprese, ať jde o obecné zmenšení či o specializované algoritmy pro zmenšení obrazu či zvuku (rodiny JPEG / MPEG včetně H.264/AVC, MP3, Microsoft VC-1 / SMPTE 421M, OGG atd.).

Kudy ven z procesoru

Komunikace procesoru s okolím je další otázka, která se již několik let řeší a ještě řešit bude. Přechází se od paralelního přenosu dat k sériovému. Paralelní přenos se používal celá desetiletí. Požadavek vyššího výkonu však narážel na fyzikální hranice, a tak si konstruktéři poradili. Místo mnoha bitů vedle sebe se bude přenášet jen málo, zato rychle.

Příkladem takové sériové cesty je HyperTransport, vytvořený v drážďanských laboratořích AMD. Již několik let se využívá u 64bitových procesorů AMD Athlon 64 / Opteron, Transmeta či MIPS (hlavně pro průmyslové účely).

Na tento trend hodlá přejít snad roku 2008 také Intel. A to pod názvem CSI (Serial InterConnect). Má jít o procesory s kódovými názvy Tigerton (IA-32e) a Tukwila (IA-64).

Kudy cesta do RAM

Rovněž zde se mění situace, také tady se přechází od paralelního přenosu dat k sériovému. RAM paměť se může připojit přímo do procesoru, nebo se použije dalšího obvodu.

Méně příjemnou vlastností spojení procesoru s řadičem paměti je právě vazba na konkrétní typ RAM. Problém vzniká ve chvíli, kdy se přechází od jedné paměťové technologie k druhé. Není tedy možné pružně přizpůsobovat situaci změnou čipové sady. Procesory bez paměťového řadiče mohou spolupracovat dokonce s několika typy RAM. Příkladem je Pentium 4, který díky čipsetům mohl pracovat s SDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM i RDRAM.

AMD zavede co nevidět novou patici nazývanou Socket AM2. Jde o upravený Socket 940, kde se řeší přechod na nový typ paměti. Namísto paměti DDR SDRAM se zde používá DDR2 SDRAM. Procesory jako AMD Athlon 64 mají řadič paměti přímo v sobě, a tak není možné prostě změnit část procesoru a základní desku nechat stejnou. Potom by hrozilo, že místo DDR se připojí DDR2 (a obráceně).

Proto je AMD nucena ke změně patice procesoru. To umožní místo dosavadní DDR400 použít podle některých parametrů výkonnější a přitom levnější DDR2-667 SDRAM. Socket AM2 je určen pro budoucí procesory typu AMD Sempron 2800+ a výš, Athlon 64 po 3800+, Athlon 64 X2 5000+/4800+/4600+/4200+ či Athlon 64 FX 62.

Pro servery zase AMD chystá patici Socket F s neuvěřitelným počtem 1207 vývodů. Procesor nebude mít daný počet pinů, ale plošek po vzoru patice LGA-775. Tyto informace nejsou žhavou novinkou, jen dokreslují stav věcí.

Intel pravděpodobně zůstane pro běžné počítače s klasickým schématem procesor – čipset – RAM, kde může pružně reagovat na potřeby trhu. Zde se přešlo na DDR2 SDRAM již před časem. Větší servery a pracovní stanice patří mezi konzervativní oblast, kde se naopak využije přímého připojení RAM paměti rovnou do procesoru.

Není třeba se bát přechodů ze starší na novou paměť; tato vazba zde totiž chybí. Může za to paměť FB-DIMM, která odděluje konkrétní paměťovou technologii od paměťové sběrnice. K tomu slouží speciální obvod AMB. Ten komunikuje pomocí stále stejné sběrnice s čipsetem či procesorem, zatímco na druhé straně může být jakákoli paměť. Například přechod od DDR2 SDRAM k očekávané DDR3 SDRAM bude de facto vnitřním problémem paměťových modulů.

Společnost AMD je prozatím vůči paměti FB-DIMM chladná; plánuje ji použít až o generaci později. Stále je tedy otevřená otázka, jak tento výrobce přejde od paměti DDR2 k DDR3 u serverů. Obvod AMB sice něco stojí a také spotřebovává nějakou energii, ale výhody převažují nad nevýhodami.

Stolní počítače vlna FB-DIMM nepostihne. Zatímco pro servery je to spíš nutnost, pro stolní počítače nepředstavuje FB-DIMM žádné výhody. Stolní počítače nemívají takovou životnost jako servery, netrápí je nedostatek paměťových slotů a další důvody, které vedly k vytvoření FB-DIMM.

Výrobní technologie

Mnohokrát se i velký Gordon Moore sám sebe ptal, jak dlouho se ještě podaří dodržovat jeho vlastní zákon. I přes všechny těžkosti při zmenšování se miniaturizace daří. Nyní se přechází od 90nm technologie k 65nanometrové. Intel již 65nm procesory prodává, AMD se k tomu chystá ještě tento rok.

Miniaturizace půjde ještě dál. Výrobci hodlají pokračovat v posloupnosti 90 nm – 65 nm – 45 nm – 32 nm – 22 nm – 16 nm - 13 nm. Další vývoj bude výrobci komentován až ve chvíli, kdy bude na dohled.

Spotřeba

Zatímco do této doby stoupala spotřeba i na více než stonásobek původních hodnot, od zhruba jednoho wattu se postupně svět „propracoval“ až například k hodnotě 130 W. Nyní se zdá, že je tomu konečně konec. Technologie, vyvinuté původně pro snížení spotřeby procesorů pro mobilní aplikace, se začínají aplikovat i do serverů či stolních počítačů.

Intel například do nabídky desktopových procesorů zařadil rovněž modely Core Duo, Core2 Duo a Core2 Extreme. První dva přitom nacházíme či najdeme primárně v noteboocích. Najednou se sestoupilo produkcí tepla i na pouhých 31 W.

Ani AMD se nenechává zahanbit. Důkazem jsou nové procesory, oznámené 16. května. Ty mají plánovanou spotřebu mezi 35 až 65 W.

V zítřejším článku se podíváme do historie procesorů, ve středu očekávejte materiál věnovaný 64bitovým procesorům.