Nehalem (mikroarhitektuur)

Nehalem on töönimi Inteli protsessorite mikroarhitektuurile, mis on järglaseks Core mikroarhitektuurile. Esimene protsessor, mis anti välja Nehalem arhitektuuriga, oli lauaarvutitele suunatud Core i7, mis väljastati novembris 2008. Sellele järgnesid mitmed Xeoni protsessorid ja Core i3 ning Core i5.

Esialgsetel Nehalem-protsessoritel kasutatakse sama 45 nm tootmismeetodit mis Intel Core 2 Penrynil. 2007. aasta sügisel esitleti Inteli Arendajate Foorumil kahe Nehalem-protsessoriga tööjaama ja suur arv Nehalem süsteeme näidati juunis 2008 Computexil.

Mikroarhitektuur on nimetatud Nehalemi linna järgi, mis asub USA läänerannikul Oregoni osariigis. Originaalis pidi see olema viimane versioon NetBursti mikroarhitektuurist. Kuid peale projekti hülgamist on antud töönimi olnud pikalt ringluses ja viitab praeguseks hoopiski teisele projektile, kuigi Nehalemil on siiski mõningaid ühiseid jooni NetBurstiga. Nehalem tüüpi mikroprotsessoritel on kõrgemad taktsagedused ja on rohkem energiasäästlikumad kui Penryn mikroprotsessorid. Tagasi on toodud hüperhargtöötlus koos 3. taseme vahemäluga, mis oli puudu enamikust Core'i tüüpi mikroprotsessoritest.

Esimene arvuti, mis kasutas Nehalem tüüpi Xeoni protsessorit, oli Apple Mac Pro. Sellekohane teadaanne anti 3. märtsil 2009. Nehalem tüüpi Xeon EX protsessoreid suurematele serveritele oodati 2009 aasta neljandas kvartalis, kuid need lasti müüki aprillis 2010.

Mobiilseid Nehalem tüüpi protsessoreid tutvustati septembris 2009.

Tehnoloogia

Erinevad allikad on toonud välja Nehalemi perekonna spetsifikatsioonid:
Kaks, neli, kuus, kaheksa, kümme või kaksteist tuuma.
731 miljonit transistorit neljatuumalisel variandil
Algsel väljalaskel 45 nm tootmisprotsessiga (32 nm variandid peagi järgnemas)
Integreeritud mälukontroller toetab kahte või kolme mälukanalit DDR3 SDRAMi või nelja FB-DIMM2 kanalit.
Integreeritud graafikaprotsessor
Uus vahetu ühendus protsessorite vahel, Inteli QuickPath ühendus kallimates mudelites, asendab esisiini
PCI Expressi ja otsese meedia liidese integreerimine kesktaseme protsessorite mudelitesse, asendades põhjasilda
Samaaegne hargtöötlus (ingl. k. Simultaneous multithreading (SMT)) mitme tuuma poolt, mis võimaldab kahte lõimu tuuma kohta. Intel nimetab seda hüperhargtöötluseks. Samaaegset hargtöötlust ei esinenud tavakasutajate lauaarvutite Inteli protsessorites alates 2006 aastast Pentium 4st ja Pentium XEst. Intel tõi tagasi SMT Atom arhitektuuriga.
Ühtsed (monoliitsed, st. kõik protsessori tuumad asuvad ühel vormil) nelja- ja kaheksatuumalised protsessorid.
Järgnevad vahemälud:
32 KB L1-instruktsiooni ja 32 KB L1-andmevahemälu tuuma kohta.
256 KB L2-vahemälu tuuma kohta.
4–12 MB L3-vahemälu (2 MB/tuum) jagatud kõigi tuumade vahel
33% enam käigus olevaid mikrotoiminguid kui Conroe
Teise taseme haruennustus ja teise taseme teisenduse kõrvalepõike puhver
Komponentide moodulblokid nagu näiteks tuumad, mida saab lisada või eemaldada

Jõudluse ja voolutarbe arendused 

On esitletud, et Nahalem fokuseerib jõudlusele, mida näitab ka suurenenud tuumade arv.
Võrreldes Penryniga on Nahalemil:
1,1× kuni 1,25× ühe tuuma jõudlus või 1,2× kuni 2× hargtöötluse jõudlus, sama võimsustaseme juures.
30% madalam voolutarve sama jõudluse juures.
AnandTechi ülevaate järgi "on oodata 20–30% jõudluse kasvu Penryni ees koos 10% voolutarbe tõusuga."
Tuuma kohta pakub Nehalem 15–20% jõudluse kasvu, võrreldes Penryniga.

2,93 GHz Nehalem Bloomfield süsteemi on kasutatud, et jooksutada 3DMark Vantage jõudlustesti, mis andis CPU tulemuseks 17,966 punkti. 2,66 GHz versioon sai tulemuseks 16,294. 2,4 GHz Core 2 Duo E6600 tulemuseks on 4,300 punkti.

AnandTech testis Inteli QuickPath ühendust ("QPI", 4,8 GT/s variant) ja leidis, et kopeerimise ribalaius, kasutades triple-channel 1066 MHz DDR3-mälu, oli 12,0 GB/s. 3,0 GHz Core 2 Quad süsteem, kasutades dual-channel 1066 MHz DDR3-mälu, saadi tulemuseks 6.9 GB/s.

Ülekiirendamine on võimalik Bloomfieldi protsessoritega ja X58 kiibistikuga. Lynnfieldi protsessor kasutab PCH-i eemaldades vajaduse põhjasilla kiibistiku järele.

Nehalem protsessorid on esimesed, mis sisaldav SSE 4.2 SIMD instruktsioone, lisades 7 uut instruktsiooni SSE 4.1 komplekti, mis oli olemas Core 2 seerias.

Nehalemi arhitektuur oluliselt vähendab atomaarse operatsiooni latentsusaega; vähendades seda 50%

Westmere 

Westmere (endise nimega Nehalem-C) on 32 nm Nehalemi toorikkristalli plaadile antud nimetus. Esimesed Westmere-il põhinevad protsessorid lasti müüki 7. jaanuaril 2010 ja olid osaks Core i3, i5 ja kahetuumalise mobiilse Core i7 perekonnas.

Westmere'i tunnused ja edusammud Nehalemist on järgmised:

Standardine kuuetuumaline ja võimalik, et topelt sisemine kaheteisttuumaline protsessor.
Bloomfieldi ja Gainestowni järglane on kuuetuumaline.
Uus komplekt instruktsioone, mis annab üle kolme korra suurema krüpteerimise ja dekrüpteerimise kiiruse Arenenud Krüpteerimise Standardi (Advanced Encryption Standard – AES) protsessides võrreldes varasemaga.
Toimetab seitse uut instruktsiooni, mida kasutab AES-i algoritm. Veel ka instruktsiooni nimetusega PCLMULQDQ, mis viib läbi "kanna-vähem" (carry-less) mitmekordistamist, mida kasutatakse krüptograafias. Need instruktsioonid lubavad protsessoril läbi viia riistvara-kiirendatud krüpteerimisi, mitte ainult andes kiiremaid tulemusi, vaid kaitstes ka tarkvaraliselt suunatud rünnakute vastu.
AES-NI võib olla kaasa arvatud Westmere'i integreeritud graafikal.
Integreeritud graafika, väljastatud samal ajal, kui protsessor.
Täiendatud virtualisatsiooni latentsusaeg.
Uus virtualiseerimise suutlikkus: "VMX Piiramatu töörežiimi tugi," mis lubab 16-bitist külalist.
Tugi 1 GB suurustele "Suurtele Lehtedele"

Töönimed 

Iga kombinatsioon Nehalemi/Westmere'i protsessori plaadist ja pakendist omab eraldi töönime ja tootekoodi. Tüüpiliselt kasutatakse sama plaati üheprotsessoriliste (ingl. keeles uniprocessor UP) ja kaheprotsessoriliste (ingl. keeles dual-processor – DP) serverite jaoks, kuid kasutatakse ekstra QuickPathi linki protsessorite vahelises kommunikatsioonis DP serveri variandis. Nagu Core mikroarhitektuur, kasutab ka Nehalem nelja protsessoripakendit, ühte iga turuosa jaoks. "Kõrgema otsa" kiibid, kaheksa tuumaga, on saadaval ainult MP serveri osale, samas kui kõiki teisi kasutatakse vähemalt kahes eri pakendis. Westmere EX protsessori kohta pole siiani veel detaile avaldatud.

Mobiilsed protsessorid 

Extreme klassi protsessoritel on lukustamata kordaja. Termo disain jõudluse (Thermal design power – TDP) väärtused sisaldavad ka graafikaprotsessorit (GPU).
Kõigil protsessoritel on baassageduseks 133 MHz
45 nm Clarksfield
Kõik on quad-core mudelid (8 lõime). Samuti omavad hüperhargtöötluse ja Turbo Boosti tehnoloogiaid.
Toetatavad liidesed :
DMI
2x DDR3-1333
PCIe 1 x16 / 2 x8

32 nm Arrandale
Kasutatav siin: µPGA-988 või BGA-1288.
Toetatavad liidesed :
DMI
PCIe 1 x16

Erinevad versioonid 

Need tabelid toovad välja kõik siiamaani teadaolevad protsessorid Nehalem mikroarhitektuuriga.

Märkused:
Kõikidel variantidel on 64 KiB L1-vahemälu tuuma kohta ja 256 KiB L2-vahemälu tuuma kohta.

45 nm protsessorid 

1 Kuigi on ainult üks mälukontroller ja sellel on ainult kolm kanalit, siis Intel ütleb, et Gainestowni protsessoritel on kuus mälukanalit. Gainestowni protsessorid omavad topelt QuickPath interconnection linki ja neil on eraldi mäluregistrid iga linki jaoks; tulemuseks on kuuekanaliline süsteem

"Havendale" ja "Auburndale" variandid on tühistatud

32 nm protsessorid 

Lauaarvuti jaoks on "Gulftown" mõeldud, kui "Extreme Edition" CPU ja seega see eksisteerib koos "Bloobfield"-iga. Sellel on "Turbo Boost" ja sarnased taktsagedused Bloomfieldiga.

Lynnfield ja Clarksfield võivad saada 32 nm siirde 2010 aasta keskel, sometime after Q2, samas Beckton läheb üle 32 nm 2010 aasta lõpus.
32 nm protsessoritel ei saa olema märgatavalt erinevad taktsagedused, võrreldes 45 nm protsessoritega.

Clarkdale ja Arrandale sisaldavad 32 nm topelt-tuum protsessorit "Hillel" ja 45 nm integreeritud graafikaseadet "Ironlake", ja toetust vahetatavale graafikale. The lowest-power variant of Arrandale may have a 10 W CPU TDP, and a maximum clock speed of 1.6 GHz.

"Bloomfield"-i järeltulijat ja sissekande taseme kiipi on samuti oodata 2010 aasta teises kvartalis.

Järeltulijad 
Nehalemi ja Westmere'i järeltulijaks on Sandy Bridge, mida tutvustati esmakordselt avalikult 2009. aastal. Sandy Bridgei järeltulijaks sai Haswell, mis toodi välja 2013, aastal.

Viited

Välislingid

Inteli ametlik kodulehekülg

Inteli mikroprotsessorid