korszakváltás a processzorok fejlődésében

Korszakváltása processzorok fejlődésében

Sima Dezső

2014 őszi félév(verzió 3.5)

2 A processzorok hatékonysága•

5 A második hatékonysági korlát•

9 Paradigmaváltás•

7 Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja•

Áttekintés

6 A disszipációs korlát•

1 Processzorok teljesítménye•

3 A processzorok hatékonyságának stagnálása által kiváltott fejlődési főirányok

•

8 EPIC architektúrák/processzorok•

4 Az órafrekvencia erőteljes növelése•

Abszolút teljesítmény Relatív teljesítmény

Eredményesen végrehajtott utasítások száma/sec

effcai IPCfP

Eredményesen végrehajtott műveletek száma/sec (SIMD)

OPIIPCfP effcao

Egy benchmark programcsomag valamely referenciarendszeren és a vizsgált rendszeren mért futási időinek összevetése az alábbi értelmezéssel (mértani közép):

Pl: SPECint92, SPECint_base2000

fc: ÓrafrekvenciaIPC: Utasítások száma/ciklus

nr tt

ttP

nv

nref

v1

ref1

(Pa alkalmazásfüggő, max. teljesítmény jellemzésére)

OPI: Műveletek száma/utasítás

1.1. Bevezetés (1)

Pl:MIPS, GIPS, MFLOPS, GFLOPS, TFLOPS

Számítási teljesítmény megadása

Egy adott alkalmazási területen jellemzi a teljesítményt

Példa SPECint eredményekre:

1.1. Bevezetés (2)

1.1. ábra: Programcsomag egyes programjainak futásidő arányai

Forrás: http://www.spec.org

Processzorok abszolút teljesítménye az utasításokra vonatkoztatva:

1.1. Bevezetés (3)

ahol:

fc : órafrekvenciaIPCeff : az óraciklusonként eredményesen végrehajtott utasítások száma

effc IPCfP

az eredményesen végrehajtott utasítások száma/sec

1.1. Bevezetés (4)

H = IPCeff

P = fc * H

Processzorok hatékonysága (H):

az óraciklusonként eredményesen végrehajtott utasítások száma

azaz

így

1.1. Bevezetés (5)

Grafikai teljesítménymegadása

pl. játékok futtatásakor

http://www.hardwarecanucks.com/forum/hardware-canucks-reviews/53054-intel-i7-

3770k-ivy-bridge-cpu-review-17.html

1.2. A processzor teljesítmények növekedése (1)

1.2. ábra: Az x86 alapú egymagos Intel processzorok FX-teljesítményének növekedése

SPECint92

5

10

50

Year86 8879 1980 81 82 83 84 85 87 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99

*

*

**

*

*

**

2

386/16

*

* *

**

* 8088/5

*0.5

100

8088/8

80286/10

80286/12

386/20 386/25386/33

500

*

**1000

20

200

1

0.2

*

***

**

*

486/25

486/33486/50 486-DX2/66

Pentium/66Pentium/100 Pentium/120

Pentium Pro/200

PII/450

PIII/600

486-DX4/100

Pentium/133 Pentium/166Pentium/200

PII/300PII/400 PIII/500

486-DX2/50*

2000 01 02 03

5000

2000*

*

*

*

*

** *

*

PIII/1000

P4/1500P4/1700

P4/2000 P4/2200P4/2400 P4/2800

P4/3060P4/3200

~ 100*/10 years

**

***

04 05

Northwood B

10000

Prescott (1M)Prescott (2M)

Leveling off

1.2. A processzor teljesítmények növekedése (2)

3.1.4. ábra: A fixpontos teljesítmények növekedése (általában - 2)

Forrás: F. Labonte, www-vlsi.stanford.edu/group/chart/specInf2000.pdf

effc IPCfP

2.1. Bevezetés

?év10/100~

2. A processzorok hatékonysága

fcSPECint_base2000/

Year79 1980 81 82 83 84 85 86 87 88 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 9978 2000 01 02

0.05

0.1

0.02

0.5

1

0.2

0.01 ~~

*

**

**

* **

* * *

Pentium

486DX

386DX

286

Pentium IIPentium Pro

**

Pentium III~10*/10 years

Leveling off

2. generationsuperscalars

2.1. ábra: Intel processzorok hatékonysága

2.2. A processzorok hatékonyságának növekedése (1)

2.2. ábra: Processzorok teljesítményének/hatékonyságának növekedése (általában)Forrás:J. Birnbaum, „Architecture at HP: Two decades of Innovation”,

Microprocessor Forum, October 14, 1997.

2.2. A processzorok hatékonyságának növekedése (2)

2.3. A hatékonyság növelés hozzájárulása a teljesítmények növeléséhez (2. generációig)

?

A második generációig az órafrekvencia és a hatékonyság növelése egyenlő arányban járultak hozzá a teljesítmény növeléséhez.

effca IPCfP

év10/100~ év10/10~ év10/10~

fcSPECint_base2000/

Year79 1980 81 82 83 84 85 86 87 88 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 9978 2000 01 02 03 04 05

Leveling off

~ 10x/ 10 years

2. gen. szuperscalars

0.05

0.1

0.02

0.5

1

0.2

0.01 ~~

2.4. A hatékonyság növekedése és annak korlátja

2.4. ábra: Processzorok hatékonyságának növekedése a 2. gen. szuperskalárokig

2.5. A hatékonyság növelésének főbb forrásai (1)

Szóhossz növelése

Feldolgozási szélesség növelése

•

•

Általános célú feldolgozást tekintve

Szóhossz növelése

8 bit (8008) 16 bit (286) 32 bit (386DX) 64 bit adatszélesség (Pentium) 64 bit (Pentium 4 EMT)

•


Időbeli párhuzamosság bevezetése, növelése

Kibocsátási párhuzamosság bevezetése, növelése

1. és 2. generációs futószalag processzorok (386DX, 486DX)

1. és 2. generációs szuperskalárok (Pentium, Pentium Pro)

•

•

Feldolgozási szélesség növelése•

1

1. Gen. 2. Gen.

2 4


superscalar1. Gen. 2. Gen.

1 2 4

pipeline


A feldolgozási szélesség növelése (összefoglalás)

fcSPECint_base2000/

Year79 1980 81 82 83 84 85 86 87 88 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 9978 2000 01 02 03 04 05

Leveling off

~ 10x/ 10 years

2. gen. szuperscalars

0.05

0.1

0.02

0.5

1

0.2

0.01 ~~

2.5. ábra: Processzorok hatékonyságának növekedése a 2. gen szuperskalárokig

Futószalag

1. gen.szuperskalár

2. gen.szuperskalár

~10x/10 év

Stagnálás


2.5. A hatékonyság növelésének első korlátja (1)

Feldolgozási szélesség

4 RISC utasítás/ciklus~3 CISC utasítás/ciklus

2.3. ábra: A feldolgozás szélessége és az általános célú alkalmazásokban rejlő párhuzamosság mértéke a 2. generációs (széles) szuperskalárokban

2. generációsszuperskalárok

(széles szuperskalárok)

Forrás: Wall: Limits of ILP, WRL TN-15, Dec. 1990

Általános célú alkalmazásokban a 2. generációs (széles) szuperskalárokkal kezdődően

a hatékonyság növelésének lehetőségea feldolgozási szélesség nővelésével kimerült

Általános célú alkalmazásokban:

2.5. A hatékonyság növelésének korlátja (2)

2. generációs szuperskalárok szélessége már megközelíti rendelkezésre álló ILP mértékét

EPIC architektúrák kifejlesztése

Az órafrekvencia erőteljes növelése

effca IPCfP

A fejlődés fővonala

(4. – 7. pontok)

3. A processzor hatékonyság stagnálása által kiváltott fejlődési főirányok áttekintése

(8. pont)

A gyártási technológia vonalvastagságának csökkentése

A futószalag fokozatok logikai hosszának csökkentése

4.1. Az órafrekvencia növelésének forrásai (1)Az órafrekvencia növelése

4. Az órafrekvencia erőteljes növelése

4.1. ábra: Az Intel gyártási technológiák fejlődése

Forrás: D. Bhandarkar: „The Dawn of a New Era”, 11. EMEA, May, 2006.

4.1. Az órafrekvencia növelésének forrásai (2)

4.1. Az órafrekvencia növelésének forrásai (3/1)

Egy futószalag fokozat logikai hossza (n x FO4)

A “leghosszabb” futószalag fokozat logikai hossza határozza meg a max. órafrekvenciát (a jelnek át kell érnie!).

Órajel

Órajeln x FO4Órajel

FO4: Fan-out of Four

A futószalag logikai hosszának csőkkentése a futószalag fokozatok számának növelésével:

F D E W

W1 W2F1 F2 D1 D2 E1 E2

4.1. Az órafrekvencia növelésének forrásai (3/2)

4.3. ábra: Futószalag fokozatok logikai hossza processzorokban (FO4)


Forrás: F. Labonte www-vlsi.stanford.edu/group/chart/CycleFO4.pdf

20

30

Year*

10

40

1990 2000

*

* *

*

Pentium(5)

2005

No of pipeline stages

Pentium Pro(~12)

Pentium 4(~20)

Athlon-64(12)

P4 Prescott(~30)

(14)Conroe

*Athlon(6)K6

(6)*

1995

*

Core Duo

4.2 ábra: A futószalag fokozatok száma Intel és AMD processzorokban


4.4. ábra: Az x86 alapú Intel processzorok órafrekvenciájának növekedése

4.2. Az órafrekvenciák növekedési üteme (1)

5

10

50

Year

*

** *

2

8088

*100

386

Pentium

Year of first volume shipment

cf

500

1000

20

200

*486-DX2

79 1980 81 82 83 84 85 86 87 88 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 9978

*

*

**

*

*486

*

** **

** *

**

Pentium II***Pentium III

*

286

*

Pentium Pro

1

486-DX4

2000 01 02 03

2000**

***

***

**

5000

Pentium 4

~10*/10years

~100*/10years

04 05

* * *

Leveling off(MHz)

4.2. Az órafrekvenciák növekedési üteme (2)

4.5. ábra: Az órafrekvenciák növekedési üteme (általában)

Fejlődési korlátok megjelenése

RISC processzorok kiszorulása

4.3. Az órafrekvencia erőteljes növelésének konzekvenciái

4.3.1. Áttekintés

(4.3.2)

(4.3.3)

•

•

4.3.2. RISC processzorok kiszorulása (1)

4.6. ábra: RISC processzorok kiszorulása

1995-2000: A CISC processzorok átvették a vezetést a teljesítmény versenyben, mivel magasabb órafrekvenciáról indulva (RISC) nem volt tartható az azonos iramú frekvencia növelés, mint alacsonyabb frekvencia értékről (CISC)

A legtöbb RISC processzorcsalád fejlesztésének leállítása, mint pl. MIPS R családja, HP Alpha és PA

családjai, illetve a PowerPC Consortium PowerPC családja

4.3.2. RISC processzorok kiszorulása (2)

1997: Intel és HP bejelentették az IA-64/Merced architektúrát/processzorcsaládot, mint a 32-bites x86 architektúrát leváltó új generációt

4.3.3. Fejlődési korlátok megjelenése (1)

Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja

Disszipációs korlát

Hatékonysági korlát(5. pont)

(6. pont)

(7. pont)

•

•

•

4.3.3. Fejlődési korlátok megjelenése (2)



Hatékonysági korlát

(5. pont)

(6. pont)

(7. pont)

•

•

•

Órafrekvenciákstagnálása

Disszipáció csökkentéselőtérbe kerülése

Soros buszokmegjelenése

A processzor és a memória közötti sebességolló

5.1. Áttekintés

5. A második hatékonysági korlát

Alapvető ok:

(növekvő órafrekvenciákon tágul)

Memória átviteli rátája

DRAM késleltetési ideje

A processzor busz átviteli rátája

Cache tárak elérési ideje

5.1. Áttekintés (2)

A sebességolló konkrét megnyilvánulásai:

•

•

•

•

5.1 Áttelomtás (3)

The scene of main memories

1 Used in the Cell BE and the PlayStation 3, but not yet in desktops or servers

Ábra: Legfontosabb DRAM típusok

DRAM

(1970)FBDIMM

(2006)DRDRAM

(1999)DDR3

(2007)DDR2

(2004)DDR

(2000)SDRAM

(1996)FPM

(1983)

FP

(~1974)

XDR

(2006)1Year of intro.

Asynchronous DRAMs Synchronous DRAMs

DRAMs with parallel bus connection

DRAMs with serial bus connection

DRAMs for general use

Main stream DRAM types Challenging DRAM types

EDO

(1995)

Commodity DRAMs

486 DX P PII PIII386 DX

86 8881 82 83 84 85 87 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

2000

*

PC AT

*

*

* *

**

**

**

16 K 64 K 256 K 256 K 64 M

Year

processor

Chipset

Typ. DRAMsize (bits)

(ns)

FPM

4 M1 M 1 M 16 M 128 M

64 M

16 M64 M

256 M

200

150

100

8080

60

70

5060

50

35

EDOFPM

EDOSDRAM

RDRAMSDRAM

64 K

01 02 03 04 05 06 07

DRAM FPM

DRAMDRAM DRAM

64 K

P4

64 M128 M256 M

SDRAM

Core2

512 M

1 G2 G

DDR2

*****

*

30

30 2540

24 22

128 K 128 K256 K

256 M512 M

1 G

DDR DDRDDR2

DDR3DDR2

40*

Desktop

DRAM type

Readlatency1

1 Read latency of DRAM, FPM, EDO and BEDO parts = tRAC (Row access time (time from row address until data valid)) Read latency of SDRAM parts = CL + tRCD (Cslumn delay + Row to Cloumn delay)

2 The 815 chipset support SDRAM while the 820 RDRAM

512 M1 G

P35965915845

256 M512 M

1 G

8453

512 M

RDRAM

128 M256 M

8152

8202850

EDOFPM

SDRAM

4 M256 K

FPM

1 M

440ZX430VX430FX420TX 430LX

3 A new revision of the 845 supports DDR instead of SDRAM

DRAM FPM

16 M4 M

5.2. A processzor és a memória közötti sebességolló (2)

5.1b ábra: DRAM chipek késleltetési ideje

Pentium D

5.1c ábra: DRAM memóriák tipikus késleletetési ideje x86-os rendszerekben (ns)

486 DX P PPro PII PIII386 DXPC AT(286)(8088)

P4

Memory latencyns

300

200

100

*

** *

*

155135 140

120

210

*200

86 8881 82 83 84 85 87 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 Year01 02 03 04 05 06 07 08

*160

*110

*85

*70

50

Core2processorChipset

Typ. DRAMparts (bits)

Desktop

DRAM type

16 K

DRAM

64 K 64 K

DRAMDRAM

64 K

128 K 128 K256 K

256 K1 M

DRAM FPM

DRAM FPM

256 K

FPM

4 M1 M

256 K

FPM

1 M

420TX 430LX

16 M64 M

EDOFPM

EDOFPM

SDRAM

4 M

430VX430FX

16 M4 M 64 M

128 M16 M64 M

256 M

EDOSDRAM

RDRAMSDRAM

64 M128 M256 M

SDRAM DDR

845

256 M512 M

1 G

8453

512 M

RDRAM

128 M256 M

8152

8202850440ZX

512 M

1 G2 G

DDR2

256 M512 M

1 G

DDRDDR2

DDR3DDR2

512 M1 G

P35965915

RDRAM


Pentium D

486 DX P PPro PII PIII386 DXPC AT(286)(8088)

P4 Core2processorChipset

Typ. DRAMparts (bits)

Desktop

DRAM type

16 K

DRAM

64 K 64 K

DRAMDRAM

64 K

128 K 128 K256 K

256 K1 M

DRAM FPM

DRAM FPM

256 K

FPM

4 M1 M

256 K

FPM

1 M

420TX 430LX

16 M64 M

EDOFPM

EDOFPM

SDRAM

4 M

430VX430FX

16 M4 M 64 M

128 M16 M64 M

256 M

EDOSDRAM

RDRAMSDRAM

64 M128 M256 M

SDRAM DDR

845

256 M512 M

1 G

8453

512 M

RDRAM

128 M256 M

8152

8202850440ZX

512 M

1 G2 G

DDR2

256 M512 M

1 G

DDRDDR2

DDR3DDR2

512 M1 G

P35965915

Memory latencyin proc. cycles

86 8881 82 83 84 85 87 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99

100

10

12000 Year

50

1000

3020

500

200

235

*

*

*

10

40

85

300

**

*

1 1

3

01 02 03 04 05 06 07 08

* **

*240 220 280

180RDRAM

5.1d ábra: DRAM memóriák tipikus késleletetési ideje x86-os rendszerekben (ciklusokban)


Pentium D

5.2. ábra: Memóriák relatív átviteli rátája (D: kétcsatornás)

0.20

0.40

0.30

1.0 2.0fc

1.5 2.50.5

0.10

**

*

**

*

*

*

**

*** *

3.0 3.5

*

*

*

**

4.0

Tmemory/f c

*

*

*

**

**

*

*

*

** *

*

**

*

0.60

0.50

0.80

0.70

1.00

0.90

Pentium

Pentium Pro

Pentium II

Pentium III Pentium 4

PC-66

PC-100

PC-133

DDR 266

PC-800D

DDR 333

DDR 333D

** *

******

DDR 400

DDR 400DDDR 533D

*

*

*

*

*

*

*

*

FPM

EDO

(GHz)


5.4. ábra: A processzor busz (FSB) relatív átviteli rátája


0.20

0.40

0.30

1.0 2.0fc

1.5 2.50.5

0.10

*

*

*

*

*

*

*

**

**

**

*

3.0 3.5

**

*

*

*

4.0

Tpb/f c

**

*

*

*

*

*

**

*

*

*

*

*

**

*

0.60

0.50

0.80

0.70

1.00

0.90

Pentium

Pentium Pro

Pentium II

Pentium III

Pentium 4

66

100

133 400 533

8001066

(GHz)

fc max at intro. (GHz)

L2 size(Kbyte)

L2 latency(clock cycles)

Willamette 1.5 128 7

Northwood 2.0 512 16

Prescott 3.4 1024 23

5.3. ábra: Intel Pentium 4 L2 cache tárak elérési ideje


5.3. A 3. generációs szuperskalárok hatékonysága (1)

5.5. ábra: Intel Pentium III és Pentium 4 processzorainak hatékonysága fixpontos feldolgozás esetén

0.40

0.5

0.45

1.0 2.0fc

1.5 2.50.5

0.35

0.30

**

*

*

*

*

**

*

*

*

*

*

**

*

*

****

0.55

3.0 3.5

***

**

*

*

**

*

**

*

*

4.0

Katmai512K dir L2

Coppermine256K on-die L2

Willamette256K on-die L2

Northwood A512K on-die L2

Prescott (1M)1M on-die L2

Prescott (2M)2M on-die L2

Irwindale512K on-die L2

2M on-die L3

800 MHz/PC-3200/SATA-150/HT800 MHz/PC-3200/ATA-100

100 MHzPC-100

SCSI-U2W

100 MHzPC-100

ATA-100

100 MHzPC-133

ATA-100

400 MHzPC-800 RDRAM

ATA-66

400 MHzPC-800 RDRAM

ATA-66

800 MHzPC-4300

SATA-150

Pentium 4Pentium III

SPECint_base2000/f c

Northwood C512K on-die L2

~~

800 MHz/PC-3200/ATA-100

533 MHzPC-800 RDRAM

ATA-100

800 MHzPC-3200

SATA-150HT

**

*

800 MHz/PC-2667/ATA-100

Northwood B512K on-die L2

* *

(GHz)

FSB órafrekvenciaMemoria átviteli rátája

Háttértár típusa

5.6. ábra: AMD Athlon, Athlon XP és Athlon 64 processzorainak hatékonysága fixpontos feldolgozás esetén

0.40

0.50

0.45

1.5 2.5fc

2.0 3.01.0

0.35

0.30

* *

*

*

*

***

*

**

* *

*

**

*

*

0.65

3.5

**

*Palomino

256K on-die L2

Clawhammer1M on-die L2

Thorougbread256K on-die L2

200 MHzPC-100

ATA-66200 MHzPC-100

ATA-66

200 MHzPC-133

ATA-66

200 MHzPC-133

ATA-66

266 MHzPC-2100

ATA-100

266 MHzPC-2100

ATA-100

333 MHz/PC-2700/ATA-100

Athlon-XP

Athlon


0.5

Barton512K on-die L2

Thunderbird256K on-die L2

400 MHz/PC-3200/ATA-100

PC-3200ATA-133

f =fFSBmemory

K7512K dir L21

K75512K dir L22,3

1 f =0.5*fL2 c 2 f =0.4*fL2 c (f =750/800/850 MHz)c3 f =0.3*fL2 c (f =900/950/1000 MHz)c

Athlon 64

~~0.60

~~4.0

(GHz)


5.7. ábra: A fejlett szuperskalárok hatékonyságát megszabó legfontosabb tényezők

fc

Core efficiency

Decreasing core efficiencydue to broadening Increasing core efficiency

primarily due to enhancing thememory subsystem(memory, FSB, L2)

(GHz)

the memory gap


5.8. ábra: Intel és AMD processzorok hatékonyságának összehasonlítása

0.40

0.50

0.45

1.0 2.0fc1.5 2.50.5

0.35

0.30

**

*

*

*

*

**

*

*

*

*

*

**

*

*

****

3.0 3.5

***

**

4.0

512K/100

256K/100

256K/400

512K/400

1M/800

2M/800


512K/800

~~

**

*

512K/533

* *

**256K/200

* *

***

**512K/200

*

*

**

**

*

256K/266

*

*

512K/400

512K/333

0.65

0.60

*** 1M/fFSB

1000

0.55

1200 1400 1600 1800

Pentium IIIPentium IV

Athlon

Athlon XP

Athlon 64

(GHz)


5.9. ábra: Intel és AMD processzorok tervezési filozófiájának összehasonlítása

0.40

0.50

0.45

0.35

**

*

*

*

*

**

*

*

*

*

*

**

*

*

****

***

**

512K/100

256K/100

256K/400

512K/400

1M/800

2M/800


512K/800

~~

**

*

512K/533

* *

**

256K/200

* *

***

**512K/200

*

*

**

**

*

256K/266

*

*

512K/400

512K/333

0.65

0.60

*** 1M/fFSB

1000

0.55

1200 1400 1600 1800

Designs preferringcore efficiency

Designs preferring clock frequency

1.0 2.0fc1.5 2.50.5 3.0 3.5 4.0

(GHz)

0.75

0.70

0.80

*2M/400


Athlon

Athlon XP

Athlon 64

Pentium M


Növekvő órafrekvenciákon egyre csökkenő teljesítménytöbblet

A processzorok hatékonysági korlátjának konzekvenciája:


Magasabb órafrekvencia Magasabb disszipáció

Az órafrekvenciák stagnálása

6. A disszipációs korlát (1)

Disszipáció (D) :

Dd=A*C*V2*fc

ahol:A: aktív kapuk részarányaC: a kapuk összesített kapacitásaV: tápfeszültségfc: órafrekvencia

Ileak: szivárgási áram

Dinamikus Statikus

Ds=V*Ileak

In addition: higher fc requires higher Vdd (Vdd ≈ const x fc) []

http://www.anandtech.com/show/3742/intels-core-i5655k-core-i7875k-overclocked-and-analysed-/2

Figure: Core voltage (Vdd) vs. clock frequency (fc) for Intel’s Westmere processors []


6.2. ábra: Intel processzorok fajlagos disszipációja

5

10

50

100

20

2100 1000 5000

*

*

*

*

**

****

*

*

*

*

**

*

*

* **

*

*

*

Prescott

Northwood

WillametteTualatin

Coppermine

Katmai

Deshutes

Klamath

P6

P54CS

P54C

P5

*

(W/cm )2

fc2000200 50020 50

D/die area

0.8μ 0.6μ

0.6μ

0.35μ

0.35μ

0.35μ

0.25μ

0.25μ

0.18μ

0.18μ

0.13μ0.13μ

0.09μ

(MHz)


6. A disszipációs korlát (2b)

A disszipáció növekedés problémájának felismerése (ISSCC 2001, Gelsinger P. Intel)

6. A disszipációs korlát (2c)

A tápfeszűltség skálázása a gyártási technológiával

Forrás: Gelsinger P. IDF, June 7 2006

6.3. ábra: Intel és AMD processzorok

0.40

0.50

0.45

0.35

**

*

*

*

*

**

*

*

*

*

*

**

*

*

****

***

**

512K/100

256K/100

256K/400

512K/400

1M/800

2M/800


512K/800

~~

**

*

512K/533

* *

**

256K/200

* *

***

**512K/200

*

*

**

**

*

256K/266

*

*

512K/400

512K/333

0.65

0.60

*** 1M/fFSB

0.55

Thermal

wall

Core design,

technology

1.0 2.0fc1.5 2.50.5 3.0 3.5 4.0 ~~ (GHz)

1000 1200 1400 1600 18000.80

*2M/400

0.75

0.70


Athlon

Athlon XP

Athlon 64

Pentium M


11/00 1/02^

0.18 /42 mtrs

^

400 MHz FSB

Northwood-A

Xeon DP line

Desktop-line

Celeron-line

Willamette

1.4/1.5 GHz

(Value PC-s)

On-die 256K L2

0.13 /55 mtrs

400 MHz FSB

2A/2.2 GHzOn-die 512K L2

2/02

^

0.13 /55 mtrs

400 MHz FSB

1.8/2/2.2 GHzOn-die 512K L2

5/01

^

0.18 /42 mtrs

400 MHz FSB

1.4/1.5/1.7 GHzOn-die 256 K L2

11/02

^Prestonia-B

0.13 /55 mtrs

533 MHz FSB

2/2.4/2.6/2.8 GHzOn-die 512K L2

Foster Prestonia-A Nocona

2/04

^

0.09 /125mtrs

800 MHz FSB

2.80E/3E/3.20E/3.40E GHzOn-die 1M L2

2000 2001 2002 2003 2004

Xeon - MP line

3/02^

0.18 /108 mtrs

400 MHz FSB

1.4/1.5/1.6 GHzOn-die 256K L2

11/02^

Gallatin

0.13 /178 mtrs

400 MHz FSB

1.5/1.9/2 GHzOn-die 512K L2

Foster-MP

On-die 512K/1M L3 On-die 1M/2M L3

5/02^

Northwood-B

0.13 /55 mtrs

533 MHz FSB

2.26/2.40B/2.53 GHzOn-die 512K L2

5/02^

Willamette-128

400 MHz FSB

1.7 GHz

11/02^

6/04^

0.09 / 125 mtrs

800 MHz FSB

2.8/3.0/3.2/3.4/3.6 GHzOn-die 1M L2

Northwood-B

533 MHz FSB

3.06 GHzOn-die 512K L2

0.13 /55 mtrs

400 MHz FSB

2 GHzOn-die 128K L2

0.18 0.13

9/02^

Northwood-128

On-die 128K L2

Cores supporting hyperthreading

5/03

^Northwood-C

800 MHz FSB

2.40C/2.60C/2.80C GHzOn-die 512K L2

0.13 /55 mtrs

Cores with EM64T implemented but not enabled

2005

2Q/05^

Potomac

0.09 > 3.5 MHz

On-die 1M L2On-die 8M L3 (?)

Irwindale-C

1Q/05^

0.09 3.0/3.2/3.4/3.6 GHz

On-die 512K L2, 2M L3

Jayhawk

2Q/05^

0.09

(Cancelled 5/04)

3.8 GHzOn-die 1M L2

3Q/05

^Tejas

0.09 /4.0/4.2 GHz

On-die 1M L2(Cancelled 5/04)

Irwindale-A

11/03^

800 MHz FSB

3.2EE GHzOn-die 512K L2, 2M L3

0.13 /178 mtrs

Cores supporting EM64T

6/04

^

0.09 /125mtrs

800 MHz FSB

2.8/3.0/3.2/3.4/3.6 GHzOn-die 1M L2

11/04^

Irwindale-B

0.13 /178mtrs

1066 MHz FSB

3.4EE GHzOn-die 512K L2, 2 MB L3

533 MHz FSB

2.4/2.53/2.66/2.8 GHzOn-die 256K L2

0.09

6/04^

Celeron-D

PGA 603 PGA 603

PGA 603 PGA 604

PGA 478 LGA 775

PGA 423 PGA 478 PGA 478 PGA 478 PGA 478 PGA 478 LGA 775

PGA 478 PGA 478

PGA 603 PGA 603

0.18 /42 mtrs

^

400 MHz FSB

Willamette

On-die 256K L2

PGA 478

3/04^

Gallatin

0.13 /286 mtrs

400 MHz FSB

2.2/2.7/3.0 GHzOn-die 512K L2

On-die 2M/4M L3

PGA 603

8/01

PGA 478533 MHz FSB

2.53/2.66/2.80/2.93 GHzOn-die 256K L2

0.09

9/04^

Celeron-D

Extreme Edition

7/03

^Prestonia-C

0.13 /178 mtrs

533 MHz FSB

3.06 GHzOn-die 512K L2, 1M L3

PGA 603

1.4 ... 2.0 GHz0.09 /125mtrs

800 MHz FSB

3.20F/3.40F/3.60F GHzOn-die 1M L2

LGA 775

8/04

^

12 13

8,9,10PrescottPrescott Prescott-F115 6,7

LGA 775

42,3

1 1

6.4. ábra: Intel P4 processzorcsaládja (Netburst architektúra)


6.5. ábra: A fajlagos disszipáció értékének növekedése (általában)

Forrás: R Hetherington, „The UltraSPARC T1 Processor” White Paper, Sun Inc., 2005


6.1 ábra: A dinamikus és a statikus disszipáció növekedési trendje

Forrás: N. S. Kim et al., „Leakage Current: Moore’s Law Meets Static Power”, Computer, Dec. 2003, pp. 68-75.


Forrás: http://download.intel.com/pressroom/kits/45nm/Press45nm107_FINAL.pdf


Kapcsolási sebesség: 120 %

6.6. ábra: A Penryn processzor tranzisztorainak felépítése (1)

•

6. A disszipációs korlát (7b)

6.7 ábra: A szívárgási áramok csökkenése

Forrás: http://download.intel.com/pressroom/kits/45nm/Press45nm107_FINAL.pdf

The traditional planar transistor [82]

6. A disszipációs korlát (7c)

Forrás: Bohr M., Mistry K.: Intel’s Revolutionary 22 nm transistor technology, May 2011, http://download.intel.com/newsroom/kits/22nm/pdfs/22nm-Details_Presentation.pdf

The 22 nm Tri-Gate transistor-1

6. A disszipációs korlát (7d)


The 22 nm Tri-Gate transistor-2


6. A disszipációs korlát (7e)

A processzorok tervezésében a disszipáció csökkentő technikák előtérbe kerülése

Az órafrekvencia növelésén alapuló fejlesztési irány háttérbe szorulása

A disszipációs korlát konzekvenciái:


A processzorok tervezésének új paradigmája: Teljesítmény/Watt

6.8 ábra: Intel 2006-ban nyilvánosságra hozott utiterve, mely megadta a gyártási technológiák fejlesztési ütemét és a tervezett új processzor architektúrák

kibocsátásának idejét [74]


Intel processzor tervezési filozófiájának változása

Forrás: http://www.xbitlabs.com/news/cpu/display/20060428162855.html

Az adatbeolvasás mechanizmusa a buszok vevőoldalán

7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (1)

A busz vevőrésze a felfutó órajellel vezérelten bekapuzza az adat jelet.

Clock D Qnext

Rising edge 0 0

Rising edge 1 1

Non-Rising X Q

A bekapuzás D flip flop-ok használatán alapul.

D flip-flop

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8c/D-Type_Flip-flop.svg

Az időbeli feltételeket az órajel felfutó élére vonatkoztatott adat érvényes ablak (Data Valid Window, DVW) írja le,a feszültségszint feltételeket egy minimálisan elvárt H szint (VHmin) és egy maximálisan megengedett L szint (VLmax) definiálja.

Forbidden V areafor the data signal

t

V

VLmax

VHmin

DVW

VL

Data

VH

DVW: Min. idő, amig a jelnek érvényesnek kell lennie

Órajel (adat bekapuzáshoz)

7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (1b)

Az adat helyes bekapuzásának időbeli és feszültségszint feltételei vannak

A DVW két feltételt támaszt,

7.1 Ábra: Az adat érvényes ablak (DVW) értelmezése ideális jel esetén

Data

CK

tS

tH

Min. DVW


ts: setup timetH: hold time

• egyrészt az adat-jelnek már érvényesnek kell lennie legalább tS idővel az órajel jel felfutó élének megérkezése előtt, és• másrészt pedig érvényesnek kell maradnia legalább tH ideig az órajel felfutó élét követőenannak érdekében, hogy a vevőáramkör az adat-bitet helyesen kapuzza be.

Az adat érvényes ablak (DVW) értelmezése

DVWmin

max

7.2 Ábra: Egy valós adat-jel szem diagramja az elvárt adat érvényes ablak és az elvárt jelszintek (VIHmin, VILmax) megadásával

• Adatjelek egymásra irásával előállított kép. •Az elvárt adat-beolvasási követelmények teljesülésének az ellenőrzésére szolgál.


A szem diagram (Eye diagram)

DVW

Elektromos jelenségek, elsődlegesen

behatárolják a buszok adatátviteli sebességét.


Az adatbeolvasás tolerancia sávjait csökkentő (zavaró) elektromos jelenségek

• a skew• jel-visszaverődések (reflections), melyek vonal lezárási illesztettlenségek miatt lépnek fel, és • a jitter

csökkentik az adat-beolvasás tolerancia sávjait, és ezáltal

7.3 Ábra: Egy adott jelvezeték két pontján fellépő futási idő különbség valamely lapkán vagy NYÁK-on

A jelek felfutó (vagy lefutó) élei közötti időkülönbség, mely kétféleképpen értelmezhető.a) A skew értelmezése egy adott jel (pl. órajel) vezetékének különböző pontjain egy

lapkán vagy egy NYÁK-on.


Skew (általában)


E tekintetben különösen fontos pl. egy lapkán lévö áramköri elemek órajelekkel való ellátása

650 mm2

Példa: IBM Power 8 processzor lapka órajelekkel való ellátása

Forrás: http://www.itjungle.com/tfh/tfh090913-story01.html

a) b)

c)

a) b)

c)

Bináris fa alapúórajel ellátás

H-fa alapúórajel ellátás

Fa-alapú órajel ellátás

Bináris fa H-fa

7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (5c)

Példa órajel elosztó hálózatokra

7.4. ábra: Párhuzamos buszok bit-vezetékein futó jelek élei között megjelenő futási idő különbségek (skew)

63. bit

0. bit

Skew


b) A skew értelmezése mint egy párhuzamos busz különböző bit-vezetékein futó jelek élei közőtt megjelenő eltolódás, melyet a futási idők eltérése okoz.

A párhuzamos buszok egyes bitvezetékei között megjelenő skew előidéző okai (elsődlegesen)


1) Párhuzamos buszok egyes bit-vezetékeinek eltérő hosszai NYÁK lapokon. Adott jelterjedési sebesség (time of flight) mellett, melynek értéke kb. 170 ps/inch) [8], ill. kb. 60 ps/cm, a hosszeltérések él-eltolódásokhoz vezetnek.

A hossz-különbségeket a tervezők NYÁK lapokon (pl. alaplapokon) bizonyos mértékben kiegyenlítik.

7.5. ábra: A futási idő különbségek (skew) kiegyenlítése az MSI 915 G Combo alaplapon


Ábra: Jelvezetékek kapacitív terhelése miatt fellépő skew [8]

CK-1

CK-2

Skew


2) NYÁK vezetékek eltérő kapacitív terhelése miatt fellépő skew (kb. 50 ps per pF).

A GHz tartományban a NYÁK-okon (pl. az alaplapokon) kialakított rézvezetékek tápvezetékként működnek (transmission lines).


Visszaverődések (reflections)

Annak érdekében, hogy a tápvezetékeken ne álljanak elő visszaverődések a tápvezetékeket a hullám impedanciájukkal (characteristic impedance) (Z0) kell lezárni, mely kb. 50-70 Ω alaplapon illetve DIMM kártyán kialakított rézvezetékek esetén.

Ha a tápvonalat nem a hullám impedanciájával zárjuk le vagy a tápvonalon inhomogenitások vannak, visszaverődések keletkeznek, melyek csőkkentik az adat-beolvasásnál rendelkezésre álló tolerancia sávokat.

Z0

7.6 Ábra: Egy szem diagramon látható visszaverődések, melyek a tápvonal lezárás illesztetlensége miatt keletkeztek


Példa visszaverődésekre

Memória vezérlő (MCH)

DIMM kártyák

Alaplapon kiképzett vezetékek

7.7 Ábra: A memória vezérlőt és a DIMM kártyákon elhelyezett DRAM chipeket összekötővezetékeken fellépő inhomogenitások ([6] alapján)

Az adatút egyespontjain

inhomogenitásokjelentkeznek.


Példa inhomogenitásokra a mem. vezérlőt és a DRAM chipeket összekötő adatút esetén

7.7/b ábra: Vezetéklezárások DDR3 DIMM-ek esetén (Rs = 10-15 Ω, RT = 36-39 Ω, RZQ = 240 Ω ±1%)

Vss

VTT

Rs

Dyn. ODT

ZQ

Vss

RZQ

Memory Contr.

Comm., Contr.Addr.

DQ, DQS/#DM

DDR3 DIMM DDR3 DIMM

SSTL_15

Vss

VTT

Rs ZQ

Vss

RZQ

Dyn. ODT

R1

R2

R1

R2

VTT

RT

VTT

RT


Vezetéklezárások DDR3 DIMM-ek esetén

ODT: On-Die Termination

• Jelentése: fázisbizonytalanság, mely a jelek felfutó és lefutó éleit elmossa.

7.8 Ábra: Jelek felfutó illetve lefutó élein jelentkező jitter

A jitter főbb forrásai

• Áthallás (crosstalk), melyet a szomszédos vezetékek közötti csatolás okoz a NYÁK-on,• ISI (Inter-Symbol Interference): egymást követő eltérő jelszintek (pl. H-L) esetén ha az előző jel még nem kellő mértékben csengett le, a következő jel egy maradvány jelszintről indul. Akkor áll elő, ha busz magasabb frekvencián működik minthogy a jelek le tudnának csengeni,• EMI (Electromagnetic Interference) melyet külső vagy belső forrásokból származó elektromágneses sugárzás okoz.


Jitter (fázis bizonytalanság)

A jitter leszűkíti az adatok beolvasásánál rendelkezésre álló tolerancia sávokat mind a DVW, mind a jelszintek tekintetében.

• A jitter sztohasztikus jellegű.

• A vevő oldalon csökkentik a jelek beolvasásának tolerancia sávjait.


A fellépő elektromos zavaró jelenségek (skew, visszaverődések, jitter, stb.) következményei-1

7.2 Ábra: Egy valós adat-jel szem diagramja az elvárt adat érvényes ablak és az elvárt jelszintek (VIHmin, VILmax) megadásával

DVWmin

max

DVW

• Ez bekorlátozza a párhuzamos buszok átviteli sebességét.


A fellépő elektromos zavaró jelenségek (skew, visszaverődések, jitter, stb.) következményei-2

• A tárgyalt elektromos zavaró jelenségek egyúttal bekorlátozzák az egy memória csatornára csatlakoztatható DIMM-ek számát is. Pl. hagyományos rendszerarchitektúrákban, melyekben a memória csatornák az MCH-ra (északi híd) csatlakoznak, DDR2 vagy DDR3 memóriák esetén

• általában csak két DIMM csatlakoztatható,• sőt magasabb átviteli ráták esetén (pl. DDR3-1866 vagy -2133 MT/s esetén) akár csak egyetlen egy.

Soros buszok használata

7.9. ábra: Jelátvitel soros buszon

D+

D-

"0" "1"


Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja által kiváltott trend:

Vezetékpár(lane)

16 data 2 protocol

2 CRC

TX Unidirectional link

RX Unidirectional link

7.3 ábra: A QuickPath Interconnect busz (QPI-bus) jelei [Forrás: Intel]

Példa: A soros QuickPath Interconnect bus (QPI bus)

(DDR data transfer)

7. Párhuzamos buszok frekvenciakorlátja (16a)

Példák “gyors” soros buszokra:• PCI-e• SATA• SAS• HT (HyperTransport bus)• QPI (Quick Path Interconnect bus)

Soros buszok bevezetése lassú periféria buszok esetén is (költségokokból!):

• USB• USB2


Forrás: Vogt, IDF Spring 2004


A soros buszok használata nagyban leegyszerűsíti az alaplapok tervezését is

7.10 Ábra: Vezeték összeköttetések alaplapon párhuzamos és soros memória busz esetén

Az órafrekvenciák növelésén alapuló fejlődési főirányhatékonysági, disszipációs és skew korlátokba ütközik

és tovább már nem követhető

A fejlődési korlátok felerősödésének konzekvenciája-1

4.3.3. A fejlődési korlátok összefoglalása



Hatékonysági korlát(5. pont)

(6. pont)

(7. pont)

•

•

•

Órafrekvenciák bekorlátozása

Disszipáció csökkentés,Teljesítmény/Watt

Sorosbuszok

1

101

102

103

1980 1990 2000 2010

*

*

*

~102 x/10év104

105P

t

1

101

102

1980 1990 2000 2010

*

*~10x/10év

IPC

t

2. gen superscalar

The evolution of P, IPC and fc

~102 x/10év

1

101

102

1980 1990 2000 2010

*

*~10x/10év

fc

t

Az órafrekvencia erőteljes növelése

EPIC architektúrák kifejlesztése

effca IPCfP

A fejlődés fővonala

(4. – 7. pontok)

8. EPIC architektúrák/processzorok (1)

(8. pont)

Szuperskalár feldolgozás elve

FE

FE

FE

dinamikusfüggőség kezelés

Processzor

függő utasítások

utasítások

VLIW feldolgozás elve

FE

FE

FE

VLIW: Very Large Instruction Word

független utasítások(statikus függőségkezelés)

Processzor

8.1. ábra: VLIW processzorok működési elve


VLIW EPIC

EPIC: Explicitly Parallel Instruction Computer

Továbbfejlesztett VLIW

• elágazásbecslés• explicit cache utasítások• •


(fejlett szuperskalár vonások integrálása)

Forrás: http://www.realworldtech.com/countdown-to-ia64/


8.2 ábra: Az Intel processzorok fejlesztésének kezdete

5/2001

EPIC

MP Platforms

MP Cores

Itanium 2 Itanium 2 Itanium 9100Itanium 2

10/200711/20046/20037/2002

(McKinley) SC (Madison 6M) SC (Madison 9M) SC (Montvale) DC

Itanium 2 Itanium 2(McKinley/Madison) (Montecito/Montvale)

130 nm/410 mtrs1.5 GHz

256 kB L26/4/3 MB L3 128 bit FSB

533/400 MT/sPAC611

FSB-basedVastly enhanced microarchitecture

FSB-basedDual-threaded

Enh. cache arch.Cache safe techn.

180 nm/220 mtrs900/1000 MHz

256 kB L23/1.5 MB L3128 bit FSB400 MT/sPAC611


256 kB L29 MB L3

128 bit FSB533 MT/sPAC611

90 nm/1720 mtrs1.66/1.6 GHz

1 MB L2I/256 kB L2D2 x 12 MB L3

128bit667/533 MT/s

PPGA611

Itanium 9000

(Montecito) DC


1MB L2I/256 kB L2D2*12 MB L3128-bit FSB533 MT/sPPGA611

1: Special memory cards are used SNC: Scalable Node Controller

7/2006

Itanium

5/2001

180 nm/25 mtrs733/800 MHz

96 KB L22/4 MB dir. L3

64-bit FSB266 MT/sPAC418

FSB-based

(Merced SC)

Itanium(Merced)


8.3 ábra: Az Intel Itanium család (1)

0.5

0.7

0.6

1000 2000fc

1500500

0.4*

*

0.9

0.8

1.0

Itanium

Itanium 2

64-bit FSB/266 MT/s

*

**

*

*

*

(MHz)~~~~


128-bit FSB/400 MT/s

96K L2/4M dir. L3

96K L2/2M dir. L3

256K L2/9M L3/DDR 266256K L2/6M L3/DDR 266

256K L2/3M L3/DDR 266

8.4. ábra: Itanium processzorok hatékonysága


MP Platforms

MP Cores

Itanium 2 Itanium 2 Itanium 9100Itanium 2

10/200711/20046/20037/2002

(McKinley) SC (Madison 6M) SC (Madison 9M) SC (Montvale) DC

Itanium 2 Itanium 2(McKinley/Madison) (Montecito/Montvale)


256 kB L26/4/3 MB L3 128 bit FSB

533/400 MT/sPAC611

FSB-basedVastly enhanced microarchitecture

FSB-basedDual-threaded

Enh. cache arch.Cache safe techn.

180 nm/220 mtrs900/1000 MHz

256 kB L23/1.5 MB L3128 bit FSB400 MT/sPAC611


256 kB L29 MB L3

128 bit FSB533 MT/sPAC611

90 nm/1720 mtrs1.66/1.6 GHz

1 MB L2I/256 kB L2D2 x 12 MB L3

128bit667/533 MT/s

PPGA611

Itanium 9000

(Montecito) DC


1MB L2I/256 kB L2D2*12 MB L3128-bit FSB533 MT/sPPGA611

1: Special memory cards are used SNC: Scalable Node Controller

7/2006

Itanium

5/2001

180 nm/25 mtrs733/800 MHz

96 KB L22/4 MB dir. L3

64-bit FSB266 MT/sPAC418

FSB-based

(Merced SC)

Itanium(Merced)

8. EPIC architektúrák/processzorok (6a)


0.5

0.7

0.6

1000 2000fc

1500500

0.4*

*

0.9

0.8

1.0

Itanium

Itanium 2

64-bit FSB/266 MT/s

*

**

*

*

*

(MHz)~~~~


128-bit FSB/400 MT/s

96K L2/4M dir. L3

96K L2/2M dir. L3

256K L2/9M L3/DDR 266256K L2/6M L3/DDR 266

256K L2/3M L3/DDR 266

8.4. ábra: Itanium processzorok hatékonysága

8. EPIC architektúrák/processzorok (6b)

8.5. ábra: Az IA-64 architektúra elterjedésével kapcsolatos várakozások

Forrás: L. Gwennap: Intel’s Itanium and IA-64: Technology and Market Forecast, MDR, 2000


8.7. ábra: Az Itanium processzorok értékesítési elvárásainak módosulása


MP Platforms

MP Cores Itanium 9500 Itanium xxItanium 9300

2014 or 201511/20122/2010

(Tukwila) 4C (Poulson) 8C (Kittson) na

Boxboro-MC

32 nm/3100 mtrs2.53-1.73 GHz

512 kB L2I/256 kB L2D32 MB shared L3 2 x MC x 2 SMI x2 x DDR3-10664 full/2 half QPI

6.4/4.8 GT/sLGA1248

New instructionsNew microarchitecture

Integrated MCSerial SMI links

Ring bus interconnectTurbo Boost

QPI-based SMMDirectory cache Vastly enh. RAS

65 nm/2050 mtrs1.73-1.33 GHz

512 kB L2I/256 kB L2D6 MB L3/core

2 x MC x 2 SMI x2 x DDR3-800

4 full/2 half QPI4.8 GT/sLGA1248

32 nm/na mtrsnanananananana.

LGA1248

MC: Memory ControllerSMI: Scalable Memory Interface

Integrated MCSerial SMI links

Crossbar interconnectTurbo Boost

QPI-based SMMDirectory cacheVastly enh. RAS



az EPIC architektúrák/processzorokkiszorulása


• Microsoft 2010 áprilisában bejelentette, hogy a továbbiakban nem támogatja az Itanium architektúrát. Windows Server 2008 R2/SQL Server 2008 R2 és Visual Studio 2010 lesz az utolsó szerver szoftver környezet, mely támogatja az Itanium-ot.• 2011 márciusában Oracle is bejelentette, hogy a jövőben beszünteti szoftver fejlesztéseit az Itanium architektúrára.

Általános célú alkalmazásokban a 2. generációs szuperskalárok megjelenésével a processzorok hatékonysága stagnálni kezdett,

ez két fejlesztési főirányt váltott ki, de mindkét megközelítés korlátokba ütközött

Egymagos szuperskalárok alkonya

9. Paradigmaváltás (1)

korszakváltás a processzorok fejlődésében

Documents