Часть 1: Предыстория, Теория, Ядро, Сила
До Атома
Компания Intel давно стала обращать пристальное внимание на мобильный потребительский сектор и выпускать ориентированные на него продукты. Поначалу это были процессоры, подобранные по малому энергопотреблению при прочих равных параметрах (разве что частоты пониже, да корпус поменьше). Затем стали выпускать ЦП, специально доработанные для подобных применений. Историю можно начать с чипа i80386SL, у которого впервые появился SMM (System Management Mode - режим управления системой), динамическое ядро было заменено на статическое (т. е. для сохранения энергии частота может падать до нуля), и добавлены контроллеры кэша, памяти и шин ISA и PI (Peripheral Interface). Все эти изменения увеличили число транзисторов аж втрое (с 275 000 у обычного 386SX/DX до 855 000), но инженеры посчитали, что такой бюджет оправдан. Помимо этого также были версии i386CX и i386EX без встроенной периферии с тремя режимами энергосбережения.
Много воды утекло, каждый следующий ЦП (кроме серверных) выпускался как в обычном, так и в мобильном (иногда ещё и во встроенном) варианте, но все манипуляции в основном заключались в добавлении к ядру энергосберегающих режимов и отборе чипов, способных работать на пониженном напряжении при пониженных частотах. Между тем, конкуренция со стороны архитектур, разработанных специально для мобильных устройств, усилилась: 1990-е принесли появление PDA (начиная с Apple Newton MessagePad), а 2000-е дали коммуникаторы, интернет-планшеты (полузабытая аббревиатура MID) и ультрамобильные ПК (UMPC). В довесок ко всему оказалось, что основные задачи для пользователя таких устройств имеют небольшие вычислительные потребности, так что почти любой ЦП, выпущенный после 2000 г., уже обладал нужной мощностью для мобильного применения, кроме, разве что, современных игр (для которых как раз тогда появились мобильные консоли с 3D-графикой).
Назрела необходимость сделать специальную архитектуру для компактного мобильного устройства, где главное - не скорость, а энергоэффективность. В Intel такую задачу взяло на себя израильское отделение компании, создавшее до этого весьма удачное семейство мобильных процессоров Pentium M (ядра Banias и Dothan). В этих ЦП энергосберегающие принципы были поставлены во главу угла с самого начала разработки, так что динамическое отключение блоков в зависимости от их загрузки и плавное изменение напряжения и частоты стало залогом экономности серии. Особенно ярко Pentium M смотрелись на фоне выпускаемых тогда же Pentium 4, которые в сравнении с ними казались раскалёнными сковородками. Причём, работая на одной частоте, Pentium M выигрывали у «четвёрок» по производительности, что вообще впервые случилось в практике процессоростроения - обычно мобильный компьютер расплачивается за свою компактность всеми остальными характеристиками. Впрочем, и сами-то Pentium 4 были, скажем так, не очень хороши в роли универсального ЦП…
Успех платформы показал, что такая высокая скорость нужна не всем, а вот сэкономить ещё энергии было бы неплохо. На тот момент (середина 2007 г.) Intel выпустила «папу» наших сегодняшних героев - процессоры A100 и A110 (ядро Stealey). Это 1-ядерные 90-нанометровые Pentium M с четвертью кэша L2 (всего 512 КБ), сильно заниженными частотами (600 и 800 МГц) и потреблением 0,4–3 Вт. Для сравнения - стандартные Dothan при частотах 1400–2266 МГц имеют энергорасход 7,5–21 Вт, низковольтные (подсерия LV) - 1400–1600 МГц и 7,5–10 Вт, а впервые введённые ультранизковольтные (ULV) - 1000–1300 МГц и 3–5 Вт. Резонно полагая, что современный компьютер большую часть времени проводит в ожидании очередного нажатия клавиши или сдвига мыши ещё на один пиксель, главным отличием A100/A110 от подсерии ULV Intel сделала умение очень глубоко засыпать, когда считать не надо совсем, благодаря чему потребление при простое падает на порядок. А сильно сокращённый кэш (большой L2 на таких частотах не очень-то и нужен) помог уменьшить размер кристалла, что сделало его дешевле. Размер корпуса процессора уменьшился впятеро, а суммарная площадь ЦП и чипсета - втрое. Как мы увидим далее, такие приёмы были использованы и в серии Atom.
Несмотря на в принципе верное целеполагание, A100/A110 остались мало востребованы рынком. То ли 600–800 МГц оказалось всё же маловато даже для простенького интернет-планшета, то ли всего два чипа (что даже модельным рядом назвать трудно) с самого начала были экспериментальным продуктом для обкатки технологии, то ли процессор просто не раскрутили маркетологи, зная, что ему на смену идёт кое-что куда более продвинутое… Менее чем через полгода после выпуска A100/A110 26 октября 2007 г. Intel объявила о близком выпуске новых мобильных ЦП с кодовыми именами Silverthorne и Diamondville и ядром Bonnell - будущих Атомов. Кстати, название Bonnell произошло от имени холмика высотой 240 м в окрестностях г. Остин (штат Техас), где в местном центре разработки Intel располагалась малочисленная группа разработчиков Атома. «Как вы яхту назовёте, так она и поплывёт.» ©Капитан Врунгель
В 2004 г. эта группа, после отмены ведомого ею проекта Tejas (наследника Pentium 4), получила прямо противоположное задание - проект Snocone по разработке крайне малопотребляющего x86-ядра, десятки которых объединит в себе суперпроизводительный чип с потреблением 100–150 Вт (будущий Larrabee, недавно переведённый в статус «демонстрационного прототипа»). В группе оказалось несколько микроэлектронных архитекторов из других компаний, включая и «заклятого друга» AMD, а её глава Belli Kuttanna работал в Sun и Motorola. Инженеры быстро обнаружили, что различные варианты имеющихся архитектур не подходят их нуждам, а пока думали дальше, в конце года CEO Intel Пол Отеллини сообщил им, что этот же ЦП также будет и 1-2-ядерным для мобильных устройств. Тогда было тяжело предположить, как именно и с какими требованиями такой процессор будет применяться через отведённые на разработку 3 года - руководство с большой долей риска указало на наладонники и 0,5 Вт мощности. История показала, что почти всё было предсказано верно.
Устройство CE4100
Интересно, что уже вслед за Атомом летом 2008 г. был выпущен EP80579 (Tolapai) для встраиваемых применений с ядром Pentium М, 256 КБ L2, 64-битным каналом памяти, полным набором контроллеров периферии, частотами 600–1200 МГц и потреблением 11–21 Вт. А почти сразу после него - модель Media Processor CE3100 (Canmore) для цифрового дома и развлечений: архитектура Pentium М, частота 800 МГц, 256 КБ L2, три 32-битных канала контроллера памяти, 250 МГц RISC-видеосопроцессор и два 340 МГц ядра DSP (цифровой сигнальный процессор) для аудио. Как покупались эти штуки - не ясно, т. к. после анонса о них не было слышно ничего в т. ч. и от Intel. Видимо, не очень… Уже после расцвета Атома, в сентябре 2009-го, Intel повторила попытку и выпустила CE4100, CE4130 и CE4150 (Sodaville) уже на «атомном» ядре частотой 1200 МГц, двумя 32-битными каналами DDR3, обновлённой периферией и технормой 45 нм. И вновь с тех пор об этих высокоинтегрированных системах-на-чипе (SOC) мало слышно. Может быть, рынок не готов встретить героя?
Слева CE4100, справа - CE3100
Теория Атома
Для начала рассмотрим основные характеристики процессора с точки зрения потребителя. Их три: скорость, энергоэффективность, цена. (Правда, энергоэффективность - не очень-то «потребительская» характеристика, но, тем не менее, именно по ней проще всего судить о некоторых важных параметрах конечного устройства.) Далее вспомним, что у идеальной КМОП-микросхемы (по этой технологии изготавливаются все современные цифровые чипы) потребление энергии пропорционально частоте и квадрату напряжения питания, а пиковая частота линейно зависит от напряжения. В результате, уполовинив частоту, мы можем уполовинить напряжение, что в теории уменьшит потребление энергии в 8 раз (на практике - в 4–5 раз). Таким образом, мобильный процессор должен быть низкочастотным и низковольтным. Как же тогда он окажется быстрым? Для этого надо, чтобы за каждый такт он выполнял как можно больше команд, что чаще всего означает увеличение числа конвейеров (степени суперскалярности) и/или числа ядер. Но это ведёт к резкому росту транзисторного бюджета, что увеличивает площадь чипа, а значит и его стоимость.
Таким образом, выиграть по всем трём пунктам не получится даже теоретически (чем и объясняется присутствие на рынке такого разнообразия процессорных архитектур). Поэтому где-то придётся сдать позиции. Исторический экскурс говорит, что сдать надо в скорости, что даст возможность сделать ядро ЦП максимально простым. Именно по этому пути и пошли инженеры из Остина. Обдумав варианты, они решили вернуться к архитектуре 15-летней давности, первый и последний раз (среди процессоров Intel) использовавшейся в первых Pentium. А именно: процессор остаётся суперскалярным (т. е. 2 команды за такт у нас будет - но не 3–4, как в современниках Атома), лишается механизма перетасовки команд перед исполнением (OoO), но приобретает то, чего у Pentium не было - технологию гиперпоточности (HyperThreading, HT), позволяющую на базе одного физического ядра эмулировать для ОС и ПО наличие двух логических. Чтобы объяснить, почему был сделан именно такой выбор, читателю рекомендуется сначала вспомнить все возможные способы увеличения производительности ЦП . А теперь оценим их с позиции потребления энергии и транзисторных затрат.
Использование многопроцессорной конфигурации в карманном или наколенном устройстве недопустимо, а вот многоядерность - вполне, если не хватает скорости одного ядра. Поначалу Intel сделала это тем же способом, что и в первых 2-ядерных Pentium 4 - поставив пару одинаковых 1-ядерных чипов на общую подложку и общую шину до чипсета. Из других разделяемых ресурсов есть лишь питающее напряжение, которое выбирается из максимума двух запросов. Т. е. ядра могут отдельно изменять свои частоты, но засыпают и пробуждаются синхронно. В декабре 2009 г. Intel выпустила первые интегрированные версии Атомов, где на одном кристалле есть 1–2 ядра и северный мост. На плате остался южный мост, соединённый с ЦП шиной DMI, что чуть быстрее и экономней предыдущей комбинации. Больше двух ядер нам скоро не предложат, так что основной скоростной упор сделан на их внутренности.
Вопрос повышения частотного потолка инженеров Intel на этом этапе тоже не очень волновал, хотя отказываться от принципа конвейерности и декодирования команд х86 во внутренние микрооперации (мопы) никто не собирался - это был бы слишком радикальный шаг назад. А вот предсказатели переходов, предзагрузчики данных и прочие вспомогательные системы заполнения конвейера стали очень важны, т. к. простаивающий конвейер, не умеющий исполнять другие команды в обход застрявшей, означает выкинутые насмарку драгоценные ватты - и у Атома все необходимые «подпорки» сделаны ненамного хуже, чем у Pentium M и более современных ему Core 2, разве что размеры буферов поменьше (опять же ради экономии). В итоге, основная битва разыгрывается вокруг производительности за такт.
Год назад компания Intel объявила о выпуске новой серии процессоров - Atom. Новые ЦП предназначены исключительно для мобильных компьютеров, и их характеристики полностью соответствуют всем требованиям подобного рода устройств. Это прежде всего относится к энергопотреблению, которое не превышает 4 Вт (TDP). Столь низкие показатели достигнуты за счет новой архитектуры, которая не похожа ни на одну из предшествующих архитектур Intel, хотя и включает их отдельные черты. Ядро состоит из 47 миллионов транзисторов, а поскольку для их производства используется 45-нм техпроцесс, то становится понятным, почему Atom такой компактный и экономичный процессор. В настоящее время в ассортименте Intel есть две серии процессоров Atom. Первая называется Z (процессоры Z500-Z540), она основана на ядре Silverthorne и предназначена для мобильных систем класса MID (Mobile Internet Devices). Вторая серия на ядре Diamondville была анонсирована сравнительно недавно (в марте этого года) и включает две модели (N270 и 230). Она предназначена для настольных систем (Nettops) и бюджетных ноутбуков (Netbooks).
| Ядро | Частота, ГГц | FSB, МГц | L2, кб | TDP, Вт | Техпроцесс, нм | Площадь ядра, мм 2 | Кол-во транз. (млн) | |
| Atom Z500 | Silverthorne | 0,8 | 400 | 512 | 0,65 | 45 | 25 | 47 |
| Atom Z510 | Silverthorne | 1,1 | 400 | 512 | 2 | 45 | 25 | 47 |
| Atom Z520 | Silverthorne | 1,33 | 533 | 512 | 2 | 45 | 25 | 47 |
| Atom Z530 | Silverthorne | 1,6 | 533 | 512 | 2 | 45 | 25 | 47 |
| Atom Z540 | Silverthorne | 1,86 | 533 | 512 | 2,4 | 45 | 25 | 47 |
| Atom N270 | Diamondville | 1,6 | 533 | 512 | 2,5 | 45 | 25 | 47 |
| Atom 230 | Diamondville | 1,6 | 533 | 512 | 4 | 45 | 25 | 47 |
Все процессоры Atom имеют кэш L1 объемом 56 кб, из которых 32 кб отведено под кэш инструкций, а 24 кб - под данные. Также все процессоры могут исполнять 32-битный код и поддерживают дополнительные наборы инструкций MMX, SSE, SSE2, SSE3 и SSSE3. Что касается 64-битного кода (x86-64), то его поддерживает только ядро Diamondville и только в модели Atom 230. На настоящий момент все процессоры Atom являются одноядерными. Вместе с тем, они поддерживают технологию Hyper-Threading, которая позволяет исполнять два параллельных потока команд. Ближе к концу 2008 года Intel планирует выпустить первые двухъядерные процессоры Atom. В сети циркулируют слухи о модели Atom 330, которая будет работать на частоте 1,6 ГГц (частота FSB - 533 МГц), а на каждое из ядер будет приходится по 512 кб кэша L2. Процессоры Atom серии Z поддерживают технологию виртуализации, а также технологию энергосбережения C1E Speedstep. Кроме серии Z, C1E Speedstep поддерживает процессор Atom N270, построенный на ядре Diamondville. Ассортимент процессоров Atom довольно велик, и включает два ядра для разных систем. Чтобы не возникло путаницы, важно отметить, что процессоры работают с определенными чипсетами, и именно они определяют предназначение конечного продукта. Вместе с новыми процессорами компания Intel выпустила серию чипсетов - UL11L, US15L, US15W, - которые также предназначены для работы Atom серии Z (ядро Silverthorne).
Чипсеты имеют схожие характеристики, и каждый состоит из одной микросхемы, которая реализует функциональность, и "северного" и "южного моста". Новые чипсеты поддерживают процессоры Intel Atom с частотой системной шины 100 или 133 МГц (400/533 МГц QPB), имеют встроенный одноканальный контроллер 400- или 533-МГц памяти DDR2 (максимальный объем памяти составляет 1 Гб). Также чипсеты новой серии имеют встроенное графическое ядро Intel GMA500, которое помимо трехмерной графики обеспечивает аппаратное декодирование видеоформатов H.264, MPEG2, VC1 и WMV9. При этом поддерживаются выходы D-SUB и DVI-I, а также TV-Out. Кроме того, предусмотрен контроллер шины PCI Express spec 1.0. Пара слов о возможностях расширения чипсетов UL и US - они поддерживают один IDE-канал, восемь портов USB 2.0, а также звуковую HD-подсистему. Чипсеты UL11L, US15L, US15W являются составной частью платформы Centrino Atom 2, в которую также входят процессоры Atom и модули беспроводной связи Wi-Fi, WiMAX и 3G. Следует отметить, что тепловыделение чипсета UL11L составляет 1,6 Вт, а чипсетов серии US - не более 2,3 Вт. В результате, общее тепловыделение связки чипсета UL11L и процессора Atom равно 2,25 Вт! Это именно то, что нужно мобильным устройствам, поскольку беспрецедентно низкий уровень потребления энергии обеспечивает длительную продолжительность работы. Что касается процессоров Atom N270 и Atom 230 на ядре Diamondville, то они предназначены для дешевых, экономичных и малогабаритных систем (Nettops и Netbooks) с чипсетом 945GC. Именно такую систему, а точнее, материнскую плату мы сегодня и протестируем:
Обратите внимание, что массивный радиатор с вентилятором предназначен для охлаждения чипсета, а сам процессор довольствуется скромным низкопрофильным радиатором (на дальнем плане). Внешне процессор выглядит следующим образом:
Можно заметить, что Atom 230 непосредственно впаян на плату, так что модернизировать систему не получится. А если "сжечь" процессор при разгоне (об этом чуть позже), то менять придется всю материнскую плату. Утилита CPU-Z предоставляет следующую информацию:
Эта версия утилиты неправильно определяет процессорное ядро (Silverthorne вместо правильного Diamondville). Ниже приведены спецификации системной платы Gigabyte GC230D:
| Процессор | Intel Atom 230 (Diamondville) |
| Чипсет | Северный мост Intel 945GC |
| Системная память | Один 240-контактный слот для DDR-II SDRAM DIMM |
| Графика | Встроенное графическое ядро GMA950 |
| Возможности расширения | Один 32-битный PCI Bus Master-слот |
| Возможности для разгона | Изменение частоты HTT от 100 до 700 МГц |
| Дисковая подсистема | Один канал UltraDMA133/100/66/33 Bus Master IDE (с поддержкой до двух ATAPI-устройств & RAID 0, 1) |
| BIOS | 4 MBit Flash ROM |
| Разное | Один порт для FDD, один последовательный и один параллельный порт, порты для PS/2 мыши и клавиатуры |
| Управление питанием | Пробуждение от модема, мыши, клавиатуры, сети, таймера и USB |
| Мониторинг | Отслеживание температуры процессора, мониторинг напряжений, определение скорости вращения двух вентиляторов |
| Размер | ATX форм-фактор, 170x170 мм (6,68" x 6,68") |
За последний год во вселенной процессоров Intel Atom произошел ряд буквально галактических катаклизмов, как разрушительного, так и созидательного порядка. В их результате она была, можно сказать, полностью перестроена. В этом посте мы вспомним историю Intel Atom, поговорим о последних событиях, с ними связанными, а в заключении познакомимся с новыми моделями из этого семейства, похожими скорее на Intel Xeon.
Intel Atom были задуманы компанией Intel как бюджетное решение с минимальным энергопотреблением для различного рода мобильных устройств. Первый Atom появился в 2008 году, он был выполнен по технологии 45 нм, со временем техпроцесс сократился до 14 нм. Успех процессоров Atom сильно отличался в зависимости от области их применения. Так, некоторая их часть определенно появилась в нужное время и получила широкое распространение в новомодных тогда «нетбуках» («ноутбуках для работы в сети»). Работали такие нетбуки по сравнению с ноутбуками на процессорах Core небыстро, зато были дешевы, компактны, не имели кулера (и сопутствующих ему проблем), и хорошо продавались. Вспомним хотя бы суперпопулярный ASUS Eee PC 901 , и отметим, что нетбуки выпускали такие солидные производители как HP, Lenovo, Dell и Sony.
ASUS Eee PC 901
Гораздо менее успешно сложилась судьба Intel Atom как x86-конкурента ARM-процессоров для смартфонов и планшетов. Хотя и тут есть очень заметный результат - выход в 2015 году Microsoft Surface 3 с процессором Intel Atom x7-Z8700.
Надо отметить, что сделано Intel в этом ключевом направлении было очень много - мобильные Атомы последнего поколения, появившегося в 2013-2014 году, по производительности далеко ушли от своих первых прародителей, а по возможностям приблизились к Intel Core: в них было полностью обновлено графическое ядро - Intel HD Graphics, микроархитектура изменена на неупорядоченное (out of order) исполнение, добавлены векторные инструкции SSE4. Тем не менее, интерес к Атомам со стороны производителей был умеренным: несмотря на приличные показатели энергоэффективности (что констатировали весьма уважаемые ресурсы), эксплуатационные преимущества не были столь весомыми, чтобы затевать масштабную движуху по смене платформы. Не последнюю роль тут сыграл и финансовый вопрос: Intel Atom были все-таки дороже своих ARM-соперников.
К 2013 году было анонсировано около десятка моделей смартфонов на Atom , часть из которых так и не вышла в серию. В нашей стране продавался брендированный Мегафоном смартфон Orange San Diego под маркой Mint .
Мегафон Mint
Intel активно продвигала платформу Android x86 среди разработчиков: создавала средства разработки, публиковала обучающие материалы, проводила мероприятия. Более того, был создан уникальный бинарный транслятор, работавший на всех мобильных устройствах c Android на базе Atom, и на лету переводивший ARM код в x86 инструкции почти без потери производительности.
Однако, как уже было сказано выше, устройств на основе Atom было выпущено немного (по сравнению с количеством ARM-устройств на рынке), что приводило к порочному кругу - независимые разработчики не спешили выпускать новые эксклюзивные x86 приложения для данных малочисленных устройств, а производители устройств, в свою очередь, не спешили выпускать новые модели из за отсутствия уникальных приложений. Кроме того, не сработало теоретическое конкуретное преимущество Atom - возможность запуска десктопных приложений на мобильных устройствах одной архитектуры. Во-первых, портировать приложения все равно приходилось просто из за несовпадения настольных и мобильных ОС (Windows или MacOS -> Android) и форм-факторов, причем, обычно это оказывалось даже труднее, чем возможный переход от x86 к ARM; а во-вторых, за время безраздельного господства ARM на мобильном рынке, все компании, желавшие создать мобильные версии своих настольных продуктов, уже сделали это для ARM-устройств, так что появление x86 только добавило им хлопот - необходимость создавать и поддерживать версии приложения для разных CPU.
Как бы то ни было, при глобальной реорганизации 2016 года направление Atom для мобильных устройств было срублено под корень.
Однако труд создателей процессоров даром не пропал. В Intel появилось новое направление, которое постепенно стало одним из ключевых: «интернет вещей». Именно совокупность компонентов «интернета вещей» является оптимальным потребителем процессоров семейства Atom с их низким энергопотреблением и широким диапазоном характеристик. Так мы незаметно приблизились к нашему времени.
К настоящему моменту Intel выпустил огромное количество моделей Intel Atom, однако актуальных из них не так и много. Это прежде всего свежеанонсированная серия Е3900 (ее сравнительную таблицу вы видите выше). Серия призвана закрыть потребность в высокопроизводительных хабах «интернета вещей» (запросы поскромнее призваны удовлетворять платформы Intel Galileo, Edison и Curie).
Однако это еще не предел «прокачки» Атома. Тут мы подходим к новому анонсу. На смену «серверной» линейки Atom C2000 образца далекого 2013 года приходит серия С3000 , которая призвана поднять производительность Intel Atom на новую высоту. Флагманом серии станет 16-ядерная модель - столько ядер в Atom еще не было никогда. При этом все «фирменные» особенности - энергоэффективность и доступная для серверных моделей цена - остаются неизменными. Пока что доступна информация об одном из младших моделей серии - процессоре C3338 . Анонсы остальных ждем во втором полугодии 2017 года.
Дата публикации:
15.06.2009
Последние полгода значительно увеличился объем продаж ноутбуков, и самую значительную роль в том сыграли нетбуки. Что интересно, при этом упали продажи дорогих ноутбуков. Это и понятно: покупатели научились ценить деньги и вкладывать их с умом.
На общем фоне мирового кризиса, такие гиганты как ASUS, Acer и Dell объявили о высоких процентах прибыли именно благодаря продаже нетбуков.
Откуда растут ноги у нетбуков?
Понятие нетбуков появилось в 2008 году на Форуме Intel для разработчиков в Шанхае. По мнению компании Intel основной вектор развития мобильных устройств - создание дешевых мобильных интернет-устройств (MID). Такие устройства обеспечивают главное - доступ к сетям и информации в любое время и в любом месте в течение продолжительного времени. Эти устройства должны быть компактными и по истине портативными. На IDF Intel и представила соответствующую платформу Intel Centrino Atom и тем самым анонсировали появление устройств, построенных на архитектуре Atom и названных с подачи Intel нетбуками.
Нетбуки (netbook) - это семейство ноутбуков, предназначенных для работы в сети Интернет и ни для чего более (net - сеть, book - сокращение от notebook).
Нетбуки относятся к классу ноутбуков, называемых субноутбуками, то есть маленькими портативными ноутбуками с сверхнизким энергопотреблением. Такие ноутбуки имеют невысокую стоимость (от 200 до 600 у.е.), массу порядка 1 кг, небольшой дисплей (от 7 до 10 дюймов). Как известно, для работы в сети не требуется высокой производительности, следовательно от нетбуков не следует ожидать высокой производительности.
Процессорная технология Intel Centrino Atom, ранее известная под кодовым наименованием Menlow, включает первый процессор Intel Atom (ранее известные как Silverthorne
) и системный контроллер-концентратор Intel System Controller Hub (Poulsbo
). Эти компоненты с самого начала разрабатывались для сегмента MID.
Все мобильные системы оцениваются по соотношению производительности на 1 Ватт потребляемой мощности, показывая, что это всегда компромисс между производительностью и энергопотреблением. Ну а как известно, энергоемкие устройства требуют и больших по габаритам источников питания. Следовательно, снижая потребление энергии, разработчики автоматически уменьшают габариты устройств.
Архитектура Intel Atom
Новая микроархитектура основана на 45-нм производственном процессе, использующем новые транзисторы с металлическим затвором и диэлектриком high-k. На удивление, Atom полностью совместим с набором команд Intel Core 2 Duo, поддерживает Hyper-Threading и расширение набора мультимедиа команд SSE3. Поддерживается даже виртуализация Intel VT. Правда для мобильных задач она не нужна, но видимо разработчики хотят использовать эти процессоры как идеологию развития архитектуры во всех направлениях, создавая как бы универсальный процесс, а потом дорабатывая его в том или ином направлении. Можно сказать, что с учетом заложенных возможностей микроархитектура Intel Atom – основа для будущих процессоров.
В микроархитектуре Intel Atom реализованы революционные функции управления питанием, такие как состояние ожидания Intel Deep Power Down (C6), технология Enhanced Intel SpeedStep, активное стробирование генератора тактовых импульсов, режим CMOS и Split I/O. Все эти новшества позволяют оптимизировать энергопотребление и тепловыделение как в целом, так и в режимах ожидания, работы и пиковых нагрузок.
Процессор Intel Atom на сегодня является самым маленьким процессором Intel. Он даже меньше микросхем чипсета! При этом он самый быстродействующий процессор в мире, потребляющий менее 3 Вт электроэнергии. Один кристалл площадью менее 25 мм2 содержит более 47 миллионов транзисторов (значительно меньше настольных процессоров).
Тепловая мощность новых процессоров составляет 0,65-2,4 Вт, средняя потребляемая мощность не превышает 160-220 мВт
, а в состоянии ожидания эти устройства потребляют всего 80-100 мВт.
Энергопотребление процессора Intel Atom в состоянии простоя определялось как потребляемая мощность в состоянии Intel Deep Power Down (состояние C6). Технология Intel Deep Power Down (C6) переводит процессор в состояние с минимальным энергопотреблением за счет отключения основного генератора тактовых импульсов системной шины, контура PLL=Phase-locked loop (ФАПС, система фазовой автоподстройки частоты), кэш-памяти первого и второго уровня.
С точки зрения схемотехники материнской платы PLL управляет динамическим снижением частоты системной шины и её автоподстройкой. Если оптимально настроить систему так, чтобы частота шины быстро динамически снижалась при отсутствии нагрузки, то этим можно сэкономить больше половины энергии подаваемой на генерацию импульсов на шине.
Кэш-память надо отключать по понятным причинам: там содержится основное количество транзисторов процессора: отключив их сэкономим вторую большую долю энергии источника.
Комплект компонентов на базе процессорной технологии Intel Centrino Atom, включающий системный контроллер-концентратор Intel System Controller Hub и процессор Intel Atom с частотой 800 МГц, 1,10, 1,33, 1,60 или 1,86 ГГц
, стоит 45, 45, 65, 95 и 160 долларов США соответственно (при заказе от 1000 штук). Как мы видим, такие решения не дороги и позволяют создавать системы в пределах 200-400 у.е.
Семейство Intel SCH
с самого начала разрабатывалось как высокопроизводительное энергосберегающее решение для однокристальных устройств с высокой степенью интеграции. Контроллер Intel SCH включает интегрированную графику с аппаратным ускорением декодирования видео, поддерживающее режимы HD 720p и 1080i. Поддерживаются все стандартные интерфейсы ввода/вывода для настольных компьютеров и карманных устройств, в том числе PCI Express, SDIO и USB.
Intel представила три версии SCH, поддерживающие модули памяти DDR2 400/533 МГц объемом 512 МБ/1 ГБ, видео как в стандартном разрешении, так и высокой четкости, технологии Intel High Definition Audio, DX9L и OpenGL.
На уровне драйверов есть поддержка различных ОС.
Мобильные интернет-устройства на базе Intel Atom собрались производить компании Aigo, Asus, BenQ, Clarion, Fujitsu, Gigabyte, Hanbit, KJS, Lenovo, LG-E, NEC, Panasonic, Samsung, Sharp, Sophia Systems, Tabletkoisk, Toshiba, USI, WiBrain и Yuk Yung.
Как видно, большая часть из этих компаний представляют сегмент мобильных устройств, коммуникаторов, наладонных компьютеров и единицы - сегмент субноутбуков.
Применение во встраиваемых системах
Встраиваемые решения - это отраслевые и промышленные решения (прежде всего контроллеры автоматики, медицинские и военные системы, измерительные приборы), характеризующиеся высокой надежностью и низким энергопотреблением. Такие системы имеют малые размеры, низкий профиль корпуса и пассивное охлаждение. Долгое время в этом сегменте соседствовали Intel Celeron M с чипсетом i945GME Express и менее "прожорливый" VIA C7. Настало время сместить этих апологетов постоянства - дошло изменение архитектура и до сегмента встраиваемых систем.
Этого следовало ожидать: все тенденции шли к уменьшению размеров кристалла и скрещивания производительности настольных чипов, оптимизации из серверного сегмента и мобильных кристаллов с низким и ультранизким энергопотреблением. И итогом совмещения стал Intel Atom.
Процессор Intel Atom и контроллер Intel SCH решено продвигать и в сегменте встраиваемых систем. В этом сегменте компания предлагает две модели процессоров: Atom Z530 с частотой 1,6 ГГц и Z510 с частотой 1,1 ГГц. Они расчитаны на 7-летний жизненный цикл. Естесвенно, Intel представил для разработчиков и все средства для внедерения новых CPU в embedded-системы.
Новая архитектура на 2 микросхемах (чипсет одночиповый) позволит более чем на 80% уменьшить размер устройств по сравнению с предыдущим решением, включавшим три микросхемы (Celeron M ULV и 945GME Express).
Процессоры Atom в сухом остатке
Итак, все кристаллы Intel Atom выполнено по 45-нм техпроцессу с использованием металлических затворов и диэлектриков Hi-k и условно могут быть разделены на CPU для нетбуков и неттопов и CPU для мобильных интернет-устройств.
Частично эти кристаллы унаследовали многое от архитектуры Centrino 2, но были оптимизированы и кое-где урезаны.
CPU для нетбуков и неттопов
Все эти кристаллы имеют 1 ядро, кроме модели 330 : она получила 2 ядра и 2 кэша L2 объемом 512К на каждое ядро (общий объем - 1МБ). Все остальные чипы имеют кэш L2 объемом 512 Кбайт.
Процессоры с буквой Z в маркировке имеют наименьшее энергопотребление - от 0,65 Вт (Z500) до 2,4 Вт (Z550). Модели Z500, Z510, Z515
работают с частотой шины 400 МГц (для уменьшения энергопотребления).
Z520, Z530, Z540, Z550
более энергоемкие, так как тактируются частотой шины 533 МГц.
Все эти модели появились в 1 квартале 2009 года.
Ранее появилась одна единственная модель N270 . Она рассчитана на тепловыделение (TDP) 2.5 W (температура до 90 градусов, против 85 у модели Z530 с такой же частотой). Она отличается только тем, что напряжение питания ядра у нее изменяется в пределах 0.9V-1.1625V, а у Z530 - от 0,8 V. Именно поэтому N270 и кушает 2,5 Вт, а не 2,4 Вт. Фактически, Z530 можно считать оптимизированной моделью N270.
Кристалл N270 имеет размеры 26 mm2 (22х22 мм), содержит 47 миллионов транзисторов и выполнен в новом корпусе PBGA437. Это означает, что его нет возможности установить в существующие системы Centrino 2.
Все производители нетбуков, которые представили свои решения в 2008 году, базировали их на N270.
Самые "жаркие" кристаллы Intel Atom - модели 230 и 330
. Фактически, это один и тот же процессоров. Отличие заключается в том, что 330 модель содержит 2 одинаковых ядра и, соответственно, кэш в 2 раза большей емкости.
Ну и как следствие - TDP у 330 выросло с 4 Вт до 8 Вт.
Кстати, только эти кристаллы из всех Atom 64-разрядные!
CPU для мобильных интернет-устройств
Фактически, это те же самое процессоры с теми же спецификациями, однако в несколько другом схемотехническом применении.
Вместо стандартного чипсета они предполагают использоваться в паре с кристаллами контроллера-концентратора системы Intel UL11L, US15L, US15W
.
CPU для настольных ПК
В принципе, процессоры Atom можно с легкостью использовать для построения недорогих офисных ПК, чем и воспользовались многие ОЕМ-сборщики.
Подразумевается использование процессоров Atom N270, 230 и 330 с чипсетом i945GC Express.
В целом, можно резюмировать, что Intel Atom - самый мобильный и неэнергоемкий процессор для нетбуков и мобильных систем на данный момент.
31 июля 2012 в 12:41Когда Atom быстрее чем Core?
- Блог компании Intel
Наглухо застряв в пробке за рулем машины, теоретически способной развивать скорость более 200 км\ч, и глядя, как меня обгоняют велосипедисты на трехколесных велосипедах, я задумалась… нет, не о том, как пересадить всех на велосипеды, и не о решении транспортных проблем человечества с помощью телепортации, а… о процессорах Intel Core и Intel Atom. А именно - Atom по сравнению с Core - это, фактически, мотороллер по сравнению с автомобилем. Он потребляет меньше топлива и стоит заметно дешевле. Но зато и скорость скутера столь же заметно уступает авто (несмотря даже на способы «разогнать» мотороллер выше заводских установок). Но, все же, в пробках или на узких улочках скутер оказывается быстрее. Недаром скутер получил свое название от английского «to scoot
» - удирать, так как успешно использовался английскими подростками для спасения от полиции.
Теперь вернемся к CPU. Заменим «топливо» на «электричество», а «скорость» на «производительность», и получим полную аналогию поведения Inel Atom и Intel Core. Но тогда разумно предположить, что существуют такие «пробки»и «закоулки», в которых Atom обгонит Core. Давайте их поищем.
Итак, по всем общепринятым замерам производительности Intel Core существенно обгоняет Atom. В разделе «Производительность» статьи про Intel Atom в wikipedia читается суровый приговор: "примерно половина производительности процессора Pentium M той же частоты
"
Если же сравнивать Atom именно с Core, то по данным тестов tomshardware Intel Core i3-530 побеждает Intel Atom D510 с разгромным счетом: 
При этом, надо отметить, что tomshardware к Atom относится явно предвзято. Так, например, если время работы какой-то задачи на Core-i3 - 1:38, то именно так об этом и сообщается - «одна минута, 38 секунд». А если Atom исполняет что-то за 7:26, то это, по мнению авторов «около восьми минут». Но главное - сравнивать процессоры с разной тактовой частотой (2.93 GHz Core i3 и 1.66 GHz Atom) и не делать поправку на ветер непоказательно. То есть, результат Core надо поделить на 2.93/1.66~1.76, что дает итоговый результат проигрыша Atom от 2.15 до 2.6 раз.
Почему Atom медленнее?
Быстрый ответ: потому что дешевле и энергоэкономичнее, что несовместимо с высокой производительностью.Правильный ответ: Во-первых, потому, что у Atom сохранилась шина FSB, в то время как Core i3 имеет интегрированный в CPU контроллер памяти, что ускоряет доступ к данным. Кроме того, у Atom в четыре раза меньше размер кэш-памяти, а если данные не умещаются в кэш, то более медленный доступ к памяти сказывается на производительности по полной программе.
А во-вторых, микроархитектура Atom - это не Core2, использованная в Core i3, а Bonnell. Вкратце, Bonnell -продолжатель идей Pentium, в нем имеется только 2 целочисленных ALU (против трех в Core), а главное, отсутствуют присущие Core изменение порядка инструкций (instruction reordering), переименование регистров (register renaming), а также спекулятивное исполнение (speculative execution).
Откуда понятно, что чтобы помочь Atom обогнать Core, надо:
- Взять нанонабор небольшой набор данных, так, чтобы он помещался в кэш.
- Попробовать использовать float данные, чтобы загружать не ALU, a FPU
- По возможности, лишить Core преимуществ неупорядоченного исполнения.
Они проводились на имеющемся у меня Intel Core i5 2.53 GHz и уже упомянутом Atom D510, и представляли собой набор вызовов математических функций для float данных со встроенной оценкой производительности «количество функций в секунду», т.е. чем больше - тем лучше.
Тесты включали расчет тригонометрических функций как напрямую (C runtime, тест «x87»), так и разложением в ряд; с использованием кода мат.библиотеки Cephes; а также векторную реализацию через SSE intrinsic функции (тесты с окончанием _ps). При этом, учитывая разницу тактовых частот, результаты масштабировались на 2.53/1.66~1.524
Тесты компилировались Microsoft Visual Studio 2008 с оптимизацией в release по умолчанию.
Полученные данные полностью подтверждают первое место Intel Atom с конца. То есть, цель не достигнута, переходим к следующему пункту - осложним работу Out-of-order CPU.
Усложняем задачу
Создадим искусственный тест, который будет содержать непредсказуемые ветвления, содержащие вычислительно тяжелые функции, так, чтобы результат спекулятивных вычислений Core постоянно отбрасывался, т.е. оказывался ненужной работой.Примерно так:
int rnd= rand()/(RAND_MAX + 1.) * 3; if (rnd%3==0) fn0(); if (rnd%3==1) fn1(); if (rnd%3==2) fn2();
Более того, функции будут состоять из цепочечных вычислений, так чтобы Core не мог путем переупорядочивания инструкций и переименования регистров посчитать что-то из таких выражений заранее, «вне очереди». Вот простейший пример подобного кода
for (i=0; i < N; ++i) {
y+=((x[i]*x[i]+ A)/B[i]*x[i]+C[i])*D[i];
}
Кстати, подобные функции и использованы в вышепоказанных тестах cephes_logf и cephes_expf, где преимущество Core минимально.
Но, несмотря на все препятствия, Core все равно оказался быстрее. Минимальный отрыв Core от Atom, который мне удалось получить различными комбинациями вычислений и случайностей - в целых два раза! То есть, Atom по-прежнему отстает.
Но если бы я на этом остановилась, то вы бы про это просто не узнали - пост бы не состоялся.
Следующим шагом была компиляция тестов с помощью Intel Compiler. Использовалась версия Composer XE 2011 update 9 (12.1) c настройками оптимизации Release по умолчанию - аналогично компилятору Microsoft.
На графике ниже приведены результаты работы вышеупомянутых тестов, включая добавленный мной rand, скомпилированные как VS2008, так и Intel Compiler.
Смотрите внимательно. Это - не обман зрения. Для четырех тестов точки зеленой линии, показывающие результат Atom для тестов, скомпилированных Intel Compiler, находится выше, чем точки бордовой - результат i5 для тестов, скомпилированных VS2008. То есть, Atom оказывается реально, более чем в два раза, быстрее на _том же коде_, что и Core i5.
Думаете, что это реклама компилятора Intel?
Абсолютно нет. Я не работаю ни в отделе рекламы, ни в компиляторной группе.
Это просто констатация того, что ваш оптимизированный код может выполняться на Atom гораздо быстрее, чем неоптимизированный на Core. Или - неоптимизированный на Core будет медленнее, чем оптимизированный на Atom.
Это - как раз те самые кочки и закоулки, которые мешают машине разогнаться.
Выводы можете сделать сами.
