Μικροαρχιτεκτονική Core

Μικρο-αρχιτεκτονική Core ονομάζεται μια Μικροαρχιτεκτονική επεξεργαστών πολλαπλού πυρήνα, η οποία παρουσιάστηκε το 1ο τρίμηνο του 2006 από την Intel. Η μικροαρχιτεκτονική αυτή αρχικά βασίστηκε στην αναβαθμισμένη έκδοση του πυρήνα Yonah. Θα μπορούσε να θεωρηθεί ως η τελευταία υλοποίηση της μικρο-αρχιτεκτονικής Ρ6, της οποίας η ιστορία ξεκίνησε με την παρουσίαση του επεξεργαστή Pentium Pro το 1995. Οι λόγοι για τους οποίους η Intel εγκατέλειψε την προηγούμενη μικρο-αρχιτεκτονική NetBurst για χάρη της καινούργιας ήταν κυρίως η υψηλή κατανάλωση ενέργειας, η ένταση της θερμότητας και η συνακόλουθη αδυναμία να αυξηθεί αποτελεσματικά ο χρονισμός του ρολογιού λόγων πολλών σημείων συμφόρησης (bottlenecks). Η μικρο-αρχιτεκτονική Core κατασκευάστηκε από την ίδια κατασκευαστική ομάδα που σχεδίασε στο παρελθόν τον επεξεργαστή Pentium M για φορητές συσκευές. Με την αρχιτεκτονική αυτή καταναλώνεται λιγότερη ενέργεια σε σχέση με το παρελθόν και είναι ανταγωνιστική με την AMD στον τομέα της έκκλησης θερμότητας. Υποστηρίζει πολλαπλούς πυρήνες και υλική υποστήριξη virtualization (Intel VT-x), όπως επίσης και τις τεχνολογίες Intel 64 και SSSE3. Οι πρώτοι επεξεργαστές βασισμένοι σε αυτή την αρχιτεκτονική είχαν πυρήνες με το κωδικό όνομα ‘’’Merom’’’,’’’Conroe’’’ και ‘’’Woodcrest’’’. Ο Merom σχεδιάστηκε για φορητούς υπολογιστές, ο Conroe για σταθερούς υπολογιστές (desktop) και ο Woodcrest για servers και σταθμούς εργασίας. Παρ’ ότι αρχιτεκτονικά οι τρεις σειρές είναι πανομοιότυπες, διαφέρουν στην υποδοχή του επεξεργαστή, στην ταχύτητα των διαύλων και στην κατανάλωση ενέργειας. Οι μεσαίας κατηγορίας (χρηστών) επεξεργαστές πήραν την επωνυμία Pentium Dual-Core και οι επεξεργαστές για τη χαμηλή κατηγορία χρηστών, Celeron. Οι επεξεργαστές για τους servers και τους σταθμούς εργασίας πήραν την επωνυμία Xeon, ενώ οι desktop και οι ‘φορητοί’ ονομάστηκαν Core 2. Παρά την ονομασία τους, επεξεργαστές που πουλήθηκαν με το όνομα Intel Core στην πραγματικότητα δεν έχουν κατασκευαστεί με την μικρο-αρχιτεκτονική Core.

 Η μικροαρχιτεκτονική Core έχει σχεδιαστεί από το μηδέν, αλλά είναι παρόμοια με την μικροαρχιτεκτονική του Pentium M σε σχεδιαστική φιλοσοφία. Ο αγωγός είναι 14 στάδια μακρύς – λιγότερο από το μισό του Prescott. Η νέα αρχιτεκτονική είναι σχεδιασμένη για δύο πυρήνες που συνδέονται με μια ποσότητα κρυφής μνήμης επιπέδου 1 (L1 cache) ο καθένας και με μια ποσότητα κρυφής μνήμης επιπέδου 2 (L2 cache) η οποία είναι κοινή, για μέγιστη απόδοση ανά watt και βελτιωμένες δυνατότητες κλιμάκωσης. Μια νέα τεχνολογία που περιλαμβάνεται στον σχεδιασμό είναι η Micro-Ops Fusion, με την οποία δυο εντολές μπορούν να συνδυαστούν σε μια ενιαία διεργασία. Για παράδειγμα, μια κοινή ακολουθία κώδικα όπως είναι π.χ. μια σύγκριση (με ένα συγκεκριμένο συνεχόμενο βήμα) μπορεί να γίνει μία ενιαία μικρο-διεργασία. Άλλη μια νέα τεχνολογία είναι η διεκπεραίωση μόνο ενός κύκλου του ρολογιού(2 κύκλοι στο παρελθόν) για την εκτέλεση όλων των εντολών SSE μήκους 128 μπιτ, που αποφέρει και πρωτοποριακή εξοικονόμηση ενέργειας. Όλα τα υποσυστήματα τρέχουν με την ελάχιστη δυνατή ταχύτητα, ανεβάζοντάς την δυναμικά όποτε χρειάζεται (παρόμοια με το Cool’n’Quiet της AMD για την εξοικονόμηση ενέργειας και παρόμοια με την δική της τεχνική που χρησιμοποίησε παλαιότερα για τους φορητούς επεξεργαστές). Αυτό επιτρέπει στο τσιπ να παράγει λιγότερη θερμότητα, και να καταναλώνει όσο λιγότερη ενέργεια γίνεται. Στους περισσότερους επεξεργαστές της σειράς Woodcrest ο δίαυλος FSB τρέχει στα 1333 ΜΤ/δευτ. ωστόσο αυτό μειώνεται στα 1066 ΜΤ/δευτ. στους χαμηλότερους επεξεργαστές των 1,6 και 1,8 GHz. Οι ‘φορητοί’ Merom αρχικά σχεδιάστηκαν να τρέχουν με FSB 667 ΜΤ/δευτ. Ωστόσο η δεύτερη ανα-παραγωγή τους υποστήριζε FSB στα 800ΜΤ/s με διαφορετική όμως υποδοχή επεξεργαστή(socket) και διατέθηκαν τον Μάιο του 2007 ως μέρος της πλατφόρμας Santa-Rosa. Οι επεξεργαστές Conroe ξεκίνησαν να διατίθενται στη κυκλοφορία στις 22 Ιουλίου 2007 με μοντέλα που διέθεταν δίαυλο FSB στα 800 ή 1066 ΜΤ/δευτ. με συνολικό όμως μήκος γραμμής 1333ΜΤ/δευτ. Η κατανάλωση ενέργειας των νέων αυτών επεξεργαστών είναι εξαιρετικά χαμηλή (μέση κατανάλωση 1 με 2 Βατ με εξαιρετικά χαμηλές τιμές τάσης), με θερμική ισχύ 65 βατ για τους Conroe και τους περισσότερους Woodcrest, 80 βατ για τους επεξεργαστές Woodcrest στα 3 GHz και 40 βατ για τους Woodcrest με χαμηλότερη τάση. Συγκριτικά ένας επεξεργαστής AMD Opteron 875HE καταναλώνει 55 βατ και οι νέοι ενεργειακά αποδοτικοί επεξεργαστές της ΑΜD με υποδοχή ΑΜ2 φτάνουν τα 35 βατ. Ο Merom, καταναλώνει 35 βατ στη βασική του έκδοση και μόλις 5 βατ για τα χαμηλής τάσης μοντέλα. Στο παρελθόν, η Intel είχε προειδοποιήσει ότι ήταν καιρός να επικεντρωθούν στην εξοικονόμηση ενέργειας, αντί να κυνηγούν πρώτα τις υψηλές επιδόσεις. Ωστόσο στο Συνέδριο των Προγραμματιστών της Ιντέλ (IDF) την άνοιξη του 2006, η Intel εισηγήθηκε και τα δυο. Συγκεκριμένα, μερικά απ τα οποία συμφωνήθηκαν : 20% μεγαλύτερες επιδόσεις στους επεξεργαστές της σειράς Merom στα ίδια επίπεδα ισχύος (σε σχέση με τους Core Duo). 40% μεγαλύτερες επιδόσεις στους επεξεργαστές της σειράς Conroe με 40% λιγότερη ενέργεια (σε σχέση με τους Pentium D). 80% μεγαλύτερες επιδόσεις στους επεξεργαστές της σειράς Woodrest με 35% λιγότερη ενέργεια (σε σχέση με τους αρχικούς διπύρηνους Xeon). Οι επεξεργαστές της μικρο-αρχιτεκτονικής Core μπορούν να ταξινομηθούν βάσει των πυρήνων, του μεγέθους της κρυφής μνήμης (cache) καθώς και με βάση την υποδοχή του κάθε επεξεργαστή. Κάθε συνδυασμός αυτών έχει ένα μοναδικό όνομα και κωδικό προϊόντος. Για παράδειγμα, ο επεξεργαστής με κωδικό όνομα “Allendale” με κωδικό προϊόντος 80557 έχει 2 πυρήνες, 2 ΜΒ κρυφή μνήμη επιπέδου 2 (L2 cache) και μπαίνει στην υποδοχή 775 για desktop υπολογιστές, αλλά έχει διατεθεί στο εμπόριο ως Celeron, Pentium, Core 2 και Xeon το καθένα με διαφορετικά σύνολα χαρακτηριστικών ενεργοποιημένα. Οι περισσότεροι φορητοί και επιτραπέζιοι επεξεργαστές έρχονται σε δυο παραλλαγές οι οποίες διαφέρουν ως προς το μέγεθος της κρυφής μνήμης επιπέδου 2, η οποία μπορεί να μειωθεί σε ένα προϊόν (με την απενεργοποίηση ορισμένων μερών) κατά τη διαδικασία παραγωγής. Οι επεξεργαστές της σειράς Wolfdale-DP και όλοι οι τετραπύρηνοι επεξεργαστές εκτός από τους Dunnington QC είναι στην ουσία πολλαπλά τσιπ συνδυασμένα μεταξύ τους με δυο “μήτρες”. Στους επεξεργαστές των 65 νανομέτρων, ο ίδιος κωδικός προϊόντος μπορεί να χρησιμοποιείται ταυτόχρονα από επεξεργαστές με διαφορετικές “μήτρες”, αλλά οι συγκεκριμένες πληροφορίες σχετικά με ποιος χρησιμοποιείται προκύπτουν από το stepping. Η μικροαρχιτεκτονική Core χρησιμοποιεί έναν αριθμό από steppings, τα οποία δεν υποδηλώνουν μόνο σταδιακές βελτιώσεις αλλά και διαφορετικά σύνολα χαρακτηριστικών όπως διαφορετικό ποσό κρυφής μνήμης (cache) και διαφορετικές καταναλώσεις σε ενέργεια. Steppings με μειωμένο μέγεθος κρυφής μνήμης χρησιμοποιούνται με διαφορετικό σύστημα ονοματοδοσίας, που σημαίνει ότι οι κυκλοφορίες δεν βγαίνουν με αλφαβητική σειρά. Σε εσωτερικά και βιομηχανικά δείγματα επεξεργαστών έχουν χρησιμοποιηθεί διαφορετικά steppings από αυτά που δόθηκαν όταν βγήκαν στη κυκλοφορία, αλλά δεν συμπεριλαμβάνονται στους πίνακες. Πολλοί από τους high-end Core 2 και Xeon επεξεργαστές είναι στην πραγματικότητα πολλαπλές διατάξεις από δύο ή τρία τσιπ, έτσι ώστε να αποκτήσουν είτε περισσότερη κρυφή μνήμη είτε περισσότερους από 2 πυρήνες. Τα steppings B2/B3, E1 και G0 των μοντέλων 15 των επεξεργαστών αποτελούν εξελικτικά βήματα του πρωτότυπου Merom/Conroe με 4 ΜΒ κρυφής μνήμης επιπέδου 2. Το νεότερο stepping Ε1 χρησιμοποιείται μόνο σε φορητούς επεξεργαστές. Τα steppings L2 και Μ0 υποδηλώνουν τα τσιπ Allendale με μόλις 2 ΜΒ κρυφής μνήμης επιπέδου 2, για μειωμένο κόστος και κατανάλωση ενέργειας για τους low-end επεξεργαστές. Τα steppings G0 και M0 υποδηλώνουν βελτιωμένη κατανάλωση ενέργειας σε κατάσταση ηρεμίας. Στους φορητούς επεξεργαστές, τα steppings Ε1, G0 και M0 υποστηρίζουν τη πλατφόρμα Intel 965 Express (Santa Rosa) με την υποδοχή (socket) P, ενώ τα νεότερα steppings Β2 και L2 στη πλατφόρμα Intel 945 Express με την υποδοχή Μ. Το μοντέλο 22, με stepping A1 σηματοδοτεί μια σημαντική αλλαγή στο σχεδιασμό. Ο ένας πυρήνας σε συνδυασμό με το 1ΜΒ κρυφής μνήμης επιπέδου 2 σημαίνουν περαιτέρω μείωση της κατανάλωσης και του κόστους παραγωγής για τους low-end επεξεργαστές. Όπως και τα προηγούμενα steppings, το Α1 δεν χρησιμοποιείται στην πλατφόρμα Intel 965 Express. To 2008 όλα τα παλαιότερα steppings αντικαταστήθηκαν από τα G0,M0 και A1. Το 2009, το πρωτότυπο stepping Β2 αντικαταστάθηκε από το G2. Στο μοντελο 23, η Intel άρχισε να διαθέτει στην αγορά, steppings με πλήρη (6 ΜΒ)και μειωμένη (3 ΜΒ) κρυφή μνήμη επιπέδου 2, ταυτόχρονα, δίνοντας τους πανομοιότυπες ταυτότητες. Όλα τα steppings έχουν το νέο σύνολο εντολών SSE 4.1 . Το stepping C1/M1 ήταν μια διορθωμένη έκδοση του C0/M0 ειδικά για τους τετραπύρηνους επεξεργαστές και χρησιμοποιήθηκε μόνο για αυτούς. Το stepping Ε0/R0 πρόσθεσε δυο νέες εντολές (XSAVE/XRSTOR) και αντικατέστησε όλα τα προηγούμενα. Στους φορητούς επεξεργαστές, το stepping C0/M0 χρησιμοποιήθηκε μόνο στη πλατφόρμα Intel Mobile 965 Express, ενώ το stepping Ε0/R0 υποστηρίζει την πιο αργή πλατφόρμα Intel Mobile 4 Express. Το μοντέλο 30 με stepping Α1 προσθέτει κρυφή μνήμη επιπέδου 3 καθώς και έξι, αντί για τους συνήθεις δυο πυρήνες, το οποίο οδήγησε σε ασυνήθιστα μεγάλο μέγεθος, της τάξεως των 503 τετρ.χιλιοστών. Από το Φεβρουάριο του 2008 και έπειτα βρήκε τη θέση του μόνο στους high-end Xeon 7400 (Dunnington). Όλοι οι επεξεργαστές της σειράς Conroe, Conroe XE και Allendale κάνουν χρήση της υποδοχής LGA 775, ωστόσο δεν είναι συμβατοί με όλες της μητρικές πλακέτες. Τα τσιπσετ που υποστηρίζονται είναι τα εξής: Ιντέλ : 865G/PE/P, 945G/GZ/GC/P/PL, 965G/P, 975X, P/G/Q965, Q963, 946GZ/PL, P3x, G3x, Q3x, X38, X48, P4x , 5400 Express, Intel G31 και G33. nVidia : nForce4 Ultra/SLI X16 for Intel, nForce 570/590 SLI for Intel, nForce 650i Ultra/650i SLI/680i LT SLI/680i SLI and nForce 750i SLI/780i SLI/790i SLI/790i Ultra SLI. VIA : P4M800, P4M800PRO, P4M890, P4M900, PT880 Pro/Ultra, PT890. SiS : 662, 671, 671fx, 672, 672fx ATI : Radeon Xpress 200 και CrossFire Xpress 3200 for IntelΟ επεξεργαστής QX9770 της σειράς Yorkfield XE (45 νανομέτρων με δίαυλο FSB 1600) είχε περιορισμένη συμβατότητα μόνο με τα τσιπσετ Χ38, Ρ35 ( με υπερχρονισμό) και με τα υψηλής απόδοσης τσιπσετ Χ48 και Ρ45. Σταδιακές ενημερώσεις στο BIOS επέτρεψαν στα τσιπ αυτά να συνεργάζονται και με τους επεξεργαστές της σειράς Penryn, και έτσι ο QX9775 είναι συμβατός μόνο με το D5400XS. Επίσης το μοντέλο Ε7200 της σειράς Wolfdale-3M είναι συμβατό με όλα εκτός από το Xpress 200. Παρά το γεγονός ότι μια μητρική πλακέτα μπορεί να έχει τσιπσετ συμβατό με τους Conroe, εντούτοις μπορεί να μην υποστηρίζουν τους επεξεργαστές. Αυτό συμβαίνει επειδή οι επεξεργαστές Conroe, απαιτούν διαφορετική παροχή ηλεκτρικής ενέργειας που ονομάζεται VRD 11.0 (Voltage Regulator-Down). Αυτή η απαίτηση είναι αποτέλεσμα της χαμηλότερης κατανάλωσης ενέργειας των επεξεργαστών Conroe, σε σύγκριση με τους επεξεργαστές της σειράς Pentium 4 και Pentium D τους οποίους αντικατέστησαν. Μια μητρική που εμπεριέχει και ένα συμβατό τσιπσετ και το VRD 11.0, μπορεί να δεχθεί τους επεξεργαστές Conroe, αλλά ακόμα και τότε μερικές μητρικές θα χρειάζονται μια αναβάθμιση στο ΒΙΟS για να τους αναγνωρίσει πλήρως. Η τεχνολογία των ‘’’Core 2’’’ επωφελείται καλύτερα από τις μνήμες που τρέχουν σύγχρονα, σε σύγκριση με τους προγενέστερους Pentium 4 και Pentium D. Αυτό σημαίνει ότι η ιδανική απόδοση μνήμης για μνήμες DDR2, για τους επεξεργαστές Conroe με FSB 1066 ΜΤ/δευτ., είναι οι PC2-4200 ή PC2-8500 (διπλάσιο από το PC2-4200). Σε ορισμένες συνθέσεις υπολογιστών, η χρήση μνημών PC2-5300 αντί για PC2-4200 μπορεί ακόμα και να μειώσει τις επιδόσεις. Μόνο αναβαθμίζοντας σε μνήμες PC2-6400 μπορεί να υπάρξει σημαντική αύξηση των επιδόσεων. Παρ όλο που μνήμες DDR2 με χαμηλότερους χρονισμούς αυξάνουν τις επιδόσεις, η διαφορά σε πραγματικά παιχνίδια και εφαρμογές είναι αμελητέες. Στην ιδανική περίπτωση, το εύρος ζώνης της μνήμης πρέπει να ταιριάζει με το εύρος ζώνης του διαύλου FSB. Όλοι οι επεξεργαστές της μικρο-αρχιτεκτονικής NetBurst όπως επίσης και ορισμένοι Core 2, παρέχουν διαδρομή δεδομένων 64 μπιτ. Επίσης τα τρέχοντα τσιπσετ υποστηρίζουν διαύλους μνήμης DDR2 ή DDR3. Σε εργασίες που απαιτούνται μεγάλες ποσότητες μνήμης, οι τετραπύρηνοι επεξεργαστές Core 2 μπορούν να επωφεληθούν σημαντικά από τη χρήση μνημών PC2-8500, οι οποίες έχουν επιδόσεις σε ταχύτητα όσο 2 φορές η ταχύτητα του διαύλου FSB. Αυτό δεν υποστηρίζεται επισήμως σε όλες της μητρικές, αλλά σε μερικές εξ αυτών. Οι επεξεργαστές Core 2 δεν απαιτούν αποκλειστικά τη χρήση μνημών τύπου DDR2. Μολονότι τα τσιπσετ Intel 975X και Ρ965 απαιτούν μόνο αυτό τον τύπο μνημών, μερικές μητρικές πλακέτες και τσιπσετ υποστηρίζουν και μνήμες τύπου DDR. Χρησιμοποιώντας όμως μνήμες DDR η απόδοση μπορεί να μειωθεί σημαντικά, λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου εύρους ζώνης.