Preview: Intel Penryn - nové 45nm procesory realitou | Kapitola 2
Seznam kapitol
Přesně za měsíc se uskuteční další důležitý mezník procesorové historie - na trh bude oficiálně uveden první desktopový procesor vyrobený 45nm polovodičovým procesem. Co nám tento krok ve výrobě čipů přinese po stránce aplikačního výkonu vám, ale můžeme exklusivně "napovědět" již dnes.
Poznámka: Zatímco současné čipy Core 2 Duo a Core 2 Quad patří do široce pojaté rodiny "Conroe", nové čipy patří do dlouhou dobu vyvíjené rodiny nazývané "Penryn". Nenechejte se zmást konkrétními kódovými označeními jednotlivých čipů: první dvoujádrové (dual-core) procesory rodiny Penryn tedy budou známé jako "Wolfdale", zatímco čtyřjádra (quad-core) se představí v podobách "Yorkfield" nebo "Kentsfield".
Změny ve struktuře čipu
Základní funkcí tranzistorů v moderních procesorech je "elektrický ventil" fungující jako spínač se dvěma stavy - otevřeným a zavřeným. Pokud je tranzistor otevřený, proud teče z jedné elektrody na druhou, pokud je ale ve stavu zavřeném žádný proud by neměl téci. To je ovšem pouze ideální stav, kterého v praxi nelze dosáhnout. Klíčová je tedy co nejnižší hodnota protékajícího proudu v zavřeném stavu.
Podstatnými funkčními částmi polovodičového tranzistoru NMOS / PMOS jsou: řídicí elektroda (Gate electrode - Polysilicon gate) a dielektrikum (Gate dielectric - SiO2 gate oxide). Právě obě tyto "součásti" jsou v 45nm procesu kompletně přepracovány a změněny. Stálým zmenšováním tranzistorů se totiž vrstva dielektrika neustále zužuje - ta je však i v současném 65nm procesu už na hranici svých elektrických vlastností a dalším ztenčením by již přestala plnit svou funkci. Musela tedy přijít změna a to změna komplexní.
Obrázek ukazuje schématické srovnání starého a nového tranzistoru,
(napravo vidíte nahrazení stávajících vrstev novými).
Prvním krokem bylo nahrazení polysilikonové elektrody (Polysilicon gate) - ta totiž v současné podobě nedokáže plně regulovat protékající proud, který uniká "kolem" a tím se zvyšují ztráty energie. Nahrazena byla kovovou elektrodou (Metal gate), která je v regulaci proudu a hlavně omezení ztrát mnohem efektivnější. Druhým krokem je náhrada dielektrika novým materiálem (High-k) s opravdu vysokou hodnotou schopnosti zadržet nežádoucí průtok proudu. Touto progresivní změnou v procesu bylo dosaženo úspory v napájecích nárocích čipů a hlavně nám tato technologie vůbec dovoluje 45nm procesory vůbec uvést. Bohužel při dalším zmenšování už ani tato koncepce tranzistorů nebude dostatečná a s 32nm procesem bude muset přijít ještě jiné řešení.
Hlavními (praktickými i teoretickými) výhodami 45nm technologie, proti 65nm, jsou:
- Dvakrát vyšší "plošná" hustota tranzistorů (teoretický počet tranzistorů na mm² čipu),
- Snížení energetické náročnosti spínání až o 30 procent,
- Až o 20 procent rychlejší spínání tranzistorů,
- Až 5x nižší ztráty způsobené nežádoucími úniky proudu na elektrodě,
- Až 10x vyšší schopnost nových materiálů dielektrika zadržet úniky proudu,
- Vyšší počet čipů na polovodičovém kotouči (tzn. wafferu),
- To by se ve finále mělo promítnout do nižších cen čipů jako takových...
Vyšší hustota tranzistorů umožňuje dvě zásadní věci. Za prvé nám umožní na současnou plochu čipu "vměstnat" mnohem více prvků a nebo při zachování stejného počtu tranzistorů radikálně zmenšit celý čip.
Poznámka: pokud se podíváte na následující obrázky zjistíte, že Intel se rozhodl kráčet spíše první cestou - plocha čipu zůstává přibližně stejná (nebo jen mírně menší), avšak počet tranzistorů rychle roste. To je logické, existuje zde silný zájem prodávat dražší výkonné čipy a nikoliv levné čipy se schopnostmi současné generace.
Srovnání současných čtyřjádrových procesorů ilustruje obrázek nahoře. Jádro "Penryn" ač obsahuje o 150 milionů tranzistorů více než "Conroe" je plochou mírně menší (i přesto že má více L2 cache). Dobré je i vidět srovnání s jádrem procesorů AMD s architekturou K10 - to má ještě méně tranzistorů než "Conroe" ale je ze všech čipů svou plochou největší.
Jádro 65nm "Conroe" - dvoujádro
Klíčovou vlastnosti je ale nižší spotřeba - ta je cca o třetinu nižší, než je tomu procesorů Core 2 na bázi stávajícího výrobního procesu. Na spotřebu a energetickou efektivitu se hledí dnes především - k čemu je nám gigantický výkon s obrovskou spotřebou? V domácích podmínkách se dá vyšší spotřeba mnohdy ještě "překousnout", ale představte si místnost se stovkou serverů, tam už každý ušetřený Watt znamená podstatné snížení nákladů na provoz.
Spotřeba 45nm proti 65nm
Stávající dvoujádra si v hodnotě "TDP" (Thermal Design Power) moc nepomohou, ta je pro 65nm i 45nm stejná - a to 65W. Jak ale ukazuje obrázek, u čtyřjádrových čipů nás čeká podstatnější posun dolů. Na první pohled se snížení o 10W (105W proti 95W) nezdá nijak výrazné, ale opak je pravdou - nové 45nm čtyřjádra totiž budou mít podstatně vyšší pracovní frekvence a to poměr výkon na watt zvýší o desítky procent. Ptáte jak je možné, když 45nm procesory mají mít podstatně nižší spotřebu, je jejich TDP shodné s předchozí 65nm generací? Odpověď tkví ve velikosti L2 cache, nové 45nm procesory ji mají podstatně větší.
Poj'dme se podívat co s příchodem 45nm procesorů na trh nás skutečně čeká.
Intel Core 2 Quad QX9650 a ti další
Kromě změny výrobního procesu a lepších elektrických vlastností nová generace procesorů rodiny Intel Core 2 přináší i některá zlepšení v architektuře čipů. Jedná se sice většinou o změny "kosmetického rázu" ale ve výsledném výkonu se v určitých aplikacích výkonově projeví.
Než se podíváme na samotnou architekturu, pojďme si na úvod říci "pozadí" uvedení a dosud známá fakta. Uvedení procesorů s jádrem "Penryn" proběhne oficiálně 12. listopadu tohoto roku. Jako první bude dostupný na trhu čtyřjádrový model tikající na frekvenci 3.0GHz s označením QX9650. Půjde o čip s odemčeným násobičem série "Extreme" a jeho cena bude také extrémní.
Po něm bude v druhé vlně následovat další pětice procesorů, na jejich parametry a ceny se podíváme později.
S desktopovými čipy uvede Intel zároveň i první serverové procesory Xeon postavené na stejné architektuře. Příští rok se potom dočkáme kompletní obměny všech stávajících procesorů všech cenových tříd - nakonec bude uvedeno patnáct 45nm čipů.
Poznámka: čtyřjádrové procesory Penryn obsahují neuvěřitelných 820 milionů tranzistorů. Téměř 70 procent plochy jádra zabírají paměti cache. Plocha jedné dvojice jader zabírá 107mm čtverečních mm, čtyřjádra samozřejmě obsadí dvojnásobnou plochu. Pokud bychom se podívali na 45nm čip a srovnali velikost s 65nm, pak je novinka o 25 procent menší - i přes větší paměť cache.
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
