گذشته، حال و آینده پردازنده‌های amd (قسمت 1)

[rezalaghaian]

حدود 3 سال از زمان ارائه اولین پردازنده 2 هسته ای دنیای کامپیوتر های PC می گذرد. زمانی کهAMD اولین پردازنده دوهسته ای دسکتاپ را از پردازش 64 بیتی بهره می برد روانه بازار کرد. ما در این مقاله قصد مقایسه پردازنده های چند هسته ای را نداریم بلکه تحلیلی کوتاه بر پرسه تولیدات شرکت AMD از زمان تولید پردازنده های دو هسته ای (در سال 2005) تا چند هسته ای های سال 2009 خواهیم داشت. بنابراین پردازنده های مختلف را بر اساس نوع معماری آنها مورد بررسی قرار می دهیم. معماری K8
ذهنیت استفاده از دو پردازنده جداگانه دسکتاپ بر روی یک برد از مدتها قبل وجود داشته ، اما مشکلاتی از تحقق این فکر ممانعت می‌کرده از جمله اینکه رابطه دو پردازنده با حافظه اصلی تمام پهنای باند ارتباطی را اشغال خواهد کرد و عملا پردازنده با دیگر قطعات پر سرعت مانند گرافیک نمی تواند ارتباط قابل قبولی را دلشته باشد.
اما این معماری نیز با به کارگیری چند تکنیک بر این مشکلات فایق آید. از این زمان به بعد تمام پردازنده های FX AMD بر مبنای معماری 4*4 طراحی می شوند (حتی در معماری K10 ). لازم به ذکر است که K8L اولین معماری است پردازدنده های آن مجهز به حافظه کاشه سطح 3 هستند.
با اینکه زمان زیادی از ارائه این تکنولوژی ها گذشته و مطمئنا شما هم با آن ها آشنایی دارید اما از آنجا که در مباحث بعدی درباره توسعه این تکنولوژی ها بحث می شود در ذیل اشاره ای کوتاه به این تکنولوژی ها می کنیم.
Integrated Memory Controller : هدف این تکنیک از بین بردن واسطه در ارتباط پردازنده با حافظه اصلی بوده و در نتیجه کاهش زمان دسترسی به حافظه (از 80 نانوثانیه به 45 نانو ثانیه) با بر قراری ارتباط مستقیم را به ارمغان آورده است برای این کار کنترلر حافظه مجتمع در پردازنده با دو خط ارتباطی 72 بیتی با حافظه ارتباط دارند که در پردازنده های سرور با حافظه DDR2 667 MHz رنج انتقال داده ای برابر 10.7 GB/s و در مدلهای دسکتاپ با 4 هسته در معماری 4*4 (که از حافظه های DDR2 1066 MHz در معماری K10 پشتیبانی می کنند) به رنج انتقال داده 25.6 GB/s دست یافته اند.
اما یک تکنیک مشکلاتی را هم برای AMD به وجود آورده است از جمله این که تغییر تکنولوژی برای پشتیبانی از حافظه های جدید بسیار پر هزینه خواهد بود به همین دلیل معمولا AMD از نظر زمانی دیر تر از اینتل از حافظه های جدید پشتیبانی می کند.
HyperTarsport : ایده اصلی از آنجا نشات گرفت که کنترلر حافظه مجتمع در پردازنده عملا تمام پهنای باند پردازنده را اشغال کرده بود به همین منظور از یک مسیر اختصاصی برای ارتباط دیگر قطعات سخت افزاری پرسرعت مانند VGA که احتیاج به پهنای باند گسترده دارند طراح شده. HT در نسخه اولیه فرکانسی برابر 2.0 GHz و رنج انتقال دادهای برابر 6.4 GB/s را داراست.
(Virtualization (AMD-V : این تکنولوژی باعث افزایش قابلیت سیستم در هنگام ایجاد یک ماشین مجازی روی سیستم (مخصوصا برای پردازنده های سرور) با استفاده از کاهش لایه های میان برنامه های کاربردی و سیستم عامل است این فناوری که pacefica نام دارد یک رابط سخت افزاری با نام Hypervisor است که جایگزین Software Virtualization گشته است شکل شماره (1) به خوبی گواه این موضوع است.

معماری K9

زمانی که در سال 2003 ، AMDپردازنده های مبتنی بر معماری K8 را ارائه کردند این شرکت از تولید نسل بعدی پردازنده های سرور (Opteron) خود را با استفاده از معماری K9 در سال 2005 خبر داد.
در ابتدا قرار بر این بود این معماری فقط به سرور ها اختصاص یابد و بعد در اواسط 2007 هر سه گروه پردازنده ها (سرور ، دسکتاپ و موبایل) به سمت معماری K10 حرکت کنند اما اینگونه نشد و AMD ترجیح داد که تا سال 2007 همچنان پردازنده های سرور خود را با استفاده از معماری K8 (البته توسعه یافته آن) تولید کند و از ماه نوامبر سال جاری پردازنده های K10 با اسم رمز Barcelona را وارد بازار خواهد کرد.
لازم به ذکر است پیش از آنکه AMD به طور کامل به سوی معماری K10 حرکت کند در نیمه اول سال 2007 برای توسعه پردازنده های دسکتاپ سری موفق Athlon و Sempron خود اقدام به تولید پردازنده هایی با هسته های جدید (البته برمبنای K8) کرده که در جدول ذیل به توضیح آنها پرداخته ایم.

اسم رمز

معماری

تعداد هسته

سوکت

فناوری ساخت

حافظه نهان سطح2

Athon 64 Fx

Windsonr FX

K8L 4*4

2+2

F(1207)

90nm

2MB total

Athon 64 X2

Brisbane

2

K8

AM2

65nm

1MB total

Athlon 64

Lima

1

K8

AM2

65nm

512KB total

Sempron

Sparta

1

K8

AM2

65nm

256 or 128KB

جدول شماره(1): تمامی پردازنده ها به تکنولوژی AMD-V مجهز هستند.

K10 نخستین معماری بر پایه 45 نانومتری AMD
اما معماری کامل تری که AMD برای توسعه پردازنده های چند هسته ای خود انتخاب کرده است، K10 نام دارد این معماری برای هر سه دسته پردازنده های موبایل، دسکتاپ و سرور در نظر گرفته شده است که حدودا از نوامبر سال 2007 در پردازنده‌های ‌اين شرکت مبتنی بر ‌اين معماری تولید خواهند شد.
K10 در ابتدا از فناوری ساخت 65 نانومتری تولید خواهند شد اما به تدریج در فاز دوم به سمت فناوری 45 نانومتری و همچنین پشتیبانی از حافظه های DDR3 با استفاده از سوکت جدید خود AMD3 حرکت خواهد کرد (همچنین بهره گیری از تکنولوژی SOI در ساخت پردازنده 45 های نانومتری).

از برتری های معماری K10 ( که البته در تمام پردازنده‌هايی‌ كه از اين معماری استفاده مي‌كنند وجود خواهد داشت) می توان به استفاده از حافظه نهان سطح 1 سه طرفه ( 64KB) با پهنای باند 128 بیت، افزایش دستور العمل های MMX و SSE4A و رمز گشایی تمامی این دستور ها به شیوه مسیر مستقیم و اضافه کردن 8 ثبات GPR (General Purpose Register) ثبات داده واحد پردازش گر در مد 64 بیتی.

K10 از Instruction Fetch 32 بايتي پشتیبانی مي‌کند .
Instruction Fetch ، واحد واکشی برای خواندن دستوالعمل‌ها از حافظه اصلی و انتقال آن به ثبات های پردازنده که در داخل آن تعبیه شده است مي‌باشد.
البته قرارگیری دستورالعمل هر کد و محل دستور بعدی(در صورت شرطی بودن دستور) در حافظه نهان پیش بینی شده است.
همچنین ماکزیمم پهنای باند ارتباطی CPU و حافظه اصلی از 6.4 GB/s (در K8) به 25.4 GB/s (البته در قدرتمندترین پردازنده یعنی Quad FX) رسیده است.
در مورد تکنولوژی (HT (Hyper trasport به کار رفته در این معماری باید گفت که این نسخه مجهز به HT 3.0 است که قابیلت پشتیبانی از نسخه بعدی اسلات های کارت گرافیکیعنی PCI Express 2.0 (که مورد استفاده کارت گرافیک های multi core خواهد بود) را دارد.
در مورد سرعت HT3.0 باید گفت که در پرسرعت‌ترین نوع ، سرعت آن 5.2 GT/s خواهد بود و با وجود خطوط داده 16 بیتی خود به رقم باور نکردنی انتقال داده 41.6 GB/s دست یافته است، که ‌اين رقم دو برابر مقداری است که در نسخه قبلی (HT2.0) دیده بودیم.

[rezalaghaian]

ویژگی های پردازنده های خانواده K10 حال بعد از معرفی معماری جدید ، به ویژگی‌های پردازنده‌های ‌اين خانواده مي‌پردازیم. ابتدا از پردازنده‌های دسکتاپ و البته از قدرتمندترین آن یعنی AMD Quad FX شروع مي‌کنیم:

پردازنده های سری FX
پردازنده های سری FX در ابتدا با اسم رمز Agena FX با فناوری ساخت 65 نانومتر و بعد با اسم رمز Deneb FX که 45 نانومتری است عرضه میگردد.
اين پردازنده‌ها تک چیپ و با چهار هسته خواهند بود که هر هسته ، از یک حافظه نهان سطح یک 64 کیلوبایتی ديتا و دستورالعمل و یک حافظه نهان سطح دو 512 کیلوبایتی به طور جداگانه برخوردار است و از 2MB حافظه نهان سطح سه به طور اشتراکی بین هر چهار هسته نیز بهره می‌برد.
در معماری قبلی، AMD تکنولوژی Cool’n’Quiet را ارئه کرده بود که بر طبق آن فرکانس کاری پردازنده متناسب با فعالیت سیستم تغییر مي‌کرد. در معماری K10 مي‌توان گفت که نوعی Cool’n’Quiet به کار رفته به طوری که کار کلی پردازنده بین هسته تقسیم مي‌شود( شكل 2) ، ‌اين امر باعث مي‌شود که توان مصرفی پردازنده تا حد قابل ملاحظه‌اي کاهش یابد.

تقسيم كار بين هسته‌ها در معماري K10

پردازنده های سری Phenom
اما دسته دیگر پردازنده های دسکتاپ معماری K10، پردازنده های Phenom X4 و Phenom X2 نام دارند که به ترتیب با اسم رمز های Agena و Kuma عرضه حواهند شد. البته یک مدل دیگر هم در این دسته وجود دارد با نام Rana (البته بدون L3 Cache) که توان مصرفی بسیار پایینی خواهد داشت (در حدود 45W).
Phenom X2 که شامل Kuma و Rana در اوایل 2009 جای خود را به Propus وRegor که از فناوری 45 نانومتری بهره مي‌برند خواهند داد. البتـهKuma نیز مانند Rana L3 Cache , نخواهد داشت اما سوکت آن AM3 خواهد بود.
در مورد سوکت AM3 (که با پردازنده ای 45 نانومتری ارائه میگردند) باید گفت مهندسان شرکت AMD می گویند که سوکتی که در آن زمان ارائه خواهد شد تغییرات زیادی نسبت به آنچه که هم اکنون از AM3 صحبت می شود خواهد داشت.
همان گونه که می دانید AM3 در ابتدا کاندیدایی برای سوکت بعدی AM2 بود که این گونه نشد و AM2+ جای آن را گرفت. اما چیزی که واضح می باشد این است که تمام تلاش AMD، بر تولید سوکت های Backward Compatible است. یعنی نسخه‌های جدید قابلیت پشتیبانی از سری‌های پیش از خود را نیز داشته باشند، اما پشتیبانی از تکنولوژی‌های روز (مثل پشتیبانی از حافظه های DDR3) در اولویت قرار دارد.

Code Name
Cpu Clock
L2 cache
L3 cache
Power (w)
Bus Speed (MT/s)
Socket
Phenom FX

Agena Fx

2.8 GHz

4*512KB

2MB share

TBD

4200
1207+
4*4
8 Cores

2.6 GHz

3800

2.4 GHz

3800
Phenom X4
Agena

2.4 GHz

4*512KB

2MB share

89
3600
AM2+

2.2 GHz

3200
Phenom X2

Kuma

2.8 GHz

2*512KB

2MB share

89
4200

AM2+

2.6 GHz

65
3800

2.4 GHz

3600

2.3 GHz

45
3400

2.1 GHz

3000

1.9 GHz

2800

جدول شماره (2)

البته همانگونه که قبلا هم اشاره شد در مرحله بعد تمام Agena ها جای خود را به Deneb خواهند داد و سوکت ها هم در مدل های X2، X4 همگی AM3 خواهند شد.
در‌اين میان جای یک پردازنده تک هسته‌اي برای در اختیار گرفتن بازار پردازنده‌های ارزان قیمت (چیزی شبیه به Sempron) خالی به نظر مي‌رسد به همین سبب AMD پردازنده Spica را برای‌اين بازار در نظر گرفته که از تمامي ‌امکانات پردازنده‌های هم خانواده خود (SSE4A , AMD-V , AM2+ , HT 3.0) بهره‌مند خواهد بود.
همانطور که در جدول 2 مشاهده کردید برای مدل های مختلف، فقط بر اساس فرکانس کاری از هم تمییز داده شده اند. علن آن است که AMD در K10 از روال همیشگی برای نام گذاری استفاده نخواهد کرد.
از اخبار منتشر شده اینگونه بر می آید که پسوند 64 از پردازنده ها حذف خواهد شد. علاوه بر آن پردازه به شما اطلاعات بیشتری همچون توان مصرفی، رده پردازنده و فرکانس اسمی و کاری خواهد داد. برای مثال در پزدارنده ای با نام BE-2350 حرف B نشان دهنده این است که این پردازنده در رده میانی (Intermediate) یا متوسط قرار دارد ، حرف E نشانه آن است که توان مصرفی این پردازنده کمتر از 65W خواهد بود و رقم اول عدد چهار رقمی نشانه دو هسته ای بودن این پردازنده است.
البته از آنجا که تا زمان عرضه این پردازنده ها احتمال تغییر در نحوه نامگذار وجود دارد در این مقاله از پرداختن به این موضوع اجتناب شده است.

[rezalaghaian]

پردازنده های Mobile

اما بازار دیگری که برای AMD هم بسیار پر اهمیت است بازار پردازنده های موبایل می باشد. در حقیقت پردازنده موبایل AMD از سال 2008 هم در زمینه هسته پردازنده و هم در پلتفرم دست خوش تغییراتی خواهند شد که نتیجه آن مشاهده امکاناتی است که پیش از آن فقط در کامپیوترهای رومیزی شاهد آنها بودیم.

اولین پردازنده ای که در سال 2008 عرضه می شود Griffin نام دارد که می توان آن را از سری پردازنده های موفق Turion 64 X2 به حساب آورد.Griffin با پلتفرم جدید خود یعنی Puma ارائه خواهد شد.
Griffin یک پردازنده دو هسته ای با توان مصرفی (split-power) و ولتاژ ورودی بسیار پایین است که نتیجه داشتن لپ تاپ هایی با طول عمر باطری بیشر خواهد بود.
در مورد امکانات Griffin باید گفت که از حافظه های DDR2-800MHz (دو کاناله) وهمچنین از HT 3.0 پشتیبانی خواهد کرد. برای Griffin هنوز سوکتی در نظر گرفته نشده است اما مطمئنا باید انتظار سوکتی جدید و البته متفاوت با سوکت S1 (که درHawk به کار رفت) را داشته باشیم.

[rezalaghaian]

پردازنده های مخصوص Server دسته آخر پردازنده های معاری K10 که به آن می پردازیم پردازنده Barcelona است. بارسلونا (که از پردازنده های Cities Family به شمار می رود) یک پردازنده چهار هسته ای 65نانومتری است که از HT 2.0 پشتیبانی می کند. دیگر مشخصات این پردازنده مانند حافظه کاشه، دستورالعملهای SSE و.... کاملا مشابه Phenom ها هستند و فقط امکانات امنیتی پیشرفته ای به آن اضافه شده که آن هم به خاطر ماهیت سرور بودن بارسلونا طبیعی است.

درباره دیگر خصوصیات بارسلونا باید گفت که یک پردازنده پندway به شمار می رود. منظور way در server تعداد پردازنده های قابل استفاده در معماری server است.
پردازنده های بارسلونا به دو دسته Opteron 8000/2000 و Opteron 1000 تقسیم می شوند.سریOpteron 8000/2000از سوکتF و حافظه های DDR2 667MHz پشتبانی می کنند و سرعت HT آنها 2.0GT/s است.
سری Opteron 1000 از سوکت +AM2 و حافظه هایDDR2 800MHz پشتیبانی می کنند و سـرعت HT بـــرابـر5.2 GT/s دارنــــد.
AMD طبقه بندی دیگری بر اساس توان مصرفی در هر سری انجام داده:

SE پردازنده هایی با توان مصرفی 120W

Standard پردازنده هایی با توان مصرفی 95w

و HE پردازنده هایی با توان مصرفی .68w

احتمالا زمان عرضه بارسلونا نوامبر سال جاری خواهد بود البته همزمان با عرضه بارسلونا در زمینه پردازنده های Opteron Mulri Way یک پردازنده 1-Way با اسم رمزBudapest نیز عرضه می کند.
به گفته phil hester (رئیس بخش تکنولوژی AMD)بارسلونا از 40 تا 90% از پردازنده های دو هسته ای سرور این شرکت سریع تر خواهد بود.
اما گام بعدی AMD در سرورها تولید پردازنده هایی از دسته Multi Way با یک پلتفرم بسیار قوی و پیشرفته است این پردازنده در سال 2008 با سوکت +F ارائه خواهد شد. اولین پردازنده این سری با اسم رمز Shanghai می باشد. در شکل روبرو برتری بی چون و چرای این پلتفرم را مشاهده می کنید.

چیپست RD790

AMD از زمان خریداری کمپتانی ATI چیپست های مادربردی که از پردازنده های AMD پشتیبانی میکنند را خود متناسب با تولیدات پردازنده هایش تولید و عرضه میکند. RD790 نیز یک چیپست جدید است و برای پردازنده های معماری K10 طراحی شده است.

RD790 درحقیقت توسعه یافته چیپست ATI 580X باتغییرات عمده می باشد که توانایی های قابل توجهی به آن افزوده شده است. یکی از این تغییرات که بزرگترین امتیاز RD790 نیز به حساب می آید استفاده از 41 مسیر PCI-e2.0 است که پشتیبانی از 4 اسلات PCI-e2.0x16 را برای RD790 به ارمغان آورده و توانسته یک برتری نسبی از رقیب خود پیدا کند.
بر خلاف nvidia SLI که فقط توانایی بهره مندی از 2 یا 4 پردازنده گرافیک را در حالت SLI دارد. چیپست RD790 در حالت cross fire توانایی پشتیبانی از 1،2،4 و یا حتی 3 پردازنده گرافیک را دارا می باشد. در حالت استفاده از 3 پردازنده 2.6x افزایش سرعت و کارایی در حالت استفاده از 2 کارت 1.8x بهبود را شاهد هستیم.اما هنوز AMD نتایج استفاده از 4 پردازنده را فاش نکرده است.

RD790 یک چیپ‌ 27mm*27 با فناوری ساخت 65nm م باشدکه توانایی پشتیبانی از HT 3.0 و سوکت های AM2+ را دارد.همچنین حداکثر توان مصرفی تحت بیشترین فشار کاری(TDP) در این چیپ‌ 10وات می‌باشد.

زمان ارائه RD790 چندان دور نیست و قرار است قبل از عرضه پردازنده‌ های Phenom (نیمه دوم 2007) مادربرد های مجهز به این چیپست وارد بازار شوند.

نمایی از مادربرد Gigabyte GA-M790-DQ6 که به چیپ ‌ RD790مجهز است

AMD Fusion

Fusion در لغت به معنی هم جوشی است و البته نام معماری بعدی AMD ، در حقیقت بعد از معماری K10 ،كمپاني AMD قصد دارد تا در تمام زمینه‌ های فعالیتی خود، مخصوصا پردازند های موبایل به سمت معماری Fusion حرکت کند. بزرگترین هدف این معماری را میتوان مجتمع کردن GPU ها یا همان پردازنده گرافیکی در پردارنده اصلی دانست.
هم اکنون به منظور به وجود آوردن قابلیت پردازش گرافیکی فوق العاده در کامپیوتر وظایف هر قطعه بسیار تخصصی‌ است به طوری که پردازنده اصلی (CPU) وظیفه‌ای برای پردازش گرافیکی برعهده ندارد و یک پردازنده جداگانه که به طور مستقل حافظه اصلی هم دارد به نام GPU اینگونه عملیاتها را انجام می‌دهد اما مشکلی که در این بین وجود دارد و مانعی برای توسعه آنها به شمار می‌رود وفقه زمانی بین پردازش این دو پردازنده به خاطر وجود پهنای باند محدود بین این دو قطعه است. جدیدترین راه حلی که برای حل این مشکل ارائه شده مجتمع کردن این دو پردازنده است.
Fusion را مي‌ توان تا حدودی با کاری که اینتل با FPU انجام داد مقایسه کرد( اینتل FPU را در پردازنده های سری 486 خود به داخل CPU انتقال داد که از آن زمان تاکنون این جریان همچنان ادامه دارد.)

اما بايد گفت چند تفاوت عمده ميان FPU وGPU وجود دارد که بزرگی و دشواری کار را هرچه بیشتر نمایان می‌سازد. از جمله ابعاد GPU است که اصلا با FPU قابل مقايسه نيست و ديگري نا هماهنگي در فرکانس کاري ‌اين دو پردازنده است. البته این نکته را هم باید در نظر گرفت که در صورت مجتمع شدن GPU احتیاج به پهنای باند گسترده برای ارتباط با حافظه اصلي و سرعت بخشيدن به ‌اين حافظه است.در صورت تحقق این طرح بهترین نامی که میتوان بر روی این پردازنده های گذلشت Heterogeneous Multicore processor خواهد بود.
در مورد پلتفورم Fusion اطلاعات زيادي در دست نيست ولي احتمالا پشتيباني از DirectX 11 را در‌اين پلتفورم شاهد خواهيم بود.