Jak dotąd Intel dotrzymuje obietnicy i utrzymuje narzucone dwa lata temu tempo. Około roku po wprowadzeniu Conroe rzeczywiście produkowano już procesory wykonane w technologii 45 nm. Rok później zastosowano istniejący już proces technologiczny do wykonania procesorów w nowej mikroarchitekturze Nehalem. Po tym, jak pojawił się Core i7, przyszedł czas na pytania i zapowiedzi co do dalszych postępów technicznych. Intel postanowił rzucić nieco światła na swoje przyszłe produkty na zorganizowanej niedawno telekonferencji dla dziennikarzy. Postaramy się w skrócie przedstawić najważniejsze informacje, które uzyskaliśmy.
Następnym krokiem po nowej mikroarchitekturze jest przejście na niższy proces technologiczny. Polega ono na zmniejszeniu szerokości bramki tranzystora, czyli najmniejszego elementu w strukturze krzemowej. Mniejszy tranzystor potrzebuje mniej energii na przełączenie się, traci mniej energii, gdy jest wyłączony, i wydziela mniej ciepła. Przede wszystkim jednak mniejszych tranzystorów na krzemowym waflu zmieści się więcej. Przy stałej liczbie tranzystorów powierzchnia rdzenia w nowszym procesie jest mniejsza. Przeniesienie dowolnego układu na nowy proces technologiczny daje zatem dużą oszczędność, bo można tym samym kosztem wyprodukować więcej układów.
Zmniejszenie tranzystora daje nie tylko korzyści ekonomiczne. Przy projektowaniu procesora inżynierów ogranicza szereg założeń i wymagań, z których dwa są szczególnie ważne: „budżet” energetyczny i limit tranzystorów. Budżet energetyczny to określone z góry parametry układów zasilania i chłodzenia. Nowemu procesorowi musi wystarczać jakość zasilania podobna do tej, którą oferują już istniejące układy. Również ilość wydzielanego ciepła musi być podobna do poprzednich procesorów, żeby można było zastosować podobne układy chłodzenia. Limit tranzystorów to określona liczba tranzystorów, której projektanci nie mogą przekroczyć, żeby nie wyjść poza budżet energetyczny i utrzymać rozmiar rdzenia w rozsądnych granicach. Wykonanie układu w nowszym procesie technologicznym pozwala zwiększyć limit tranzystorów i pozostać w granicach budżetu energetycznego. W ten sposób można dodać do procesora nowe elementy logiczne: więcej rdzeni, więcej pamięci podręcznej i tak dalej. Oprócz zysku zwiększają się zatem możliwości procesorów.
Intel wykonywał dwie ostatnie generacje procesorów (Penryn/ Core 2 Duo i Nehalem/ Core i7) w procesie technologicznym 45 nm. Zgodnie z modelem Tick-Tock dwie następne generacje procesorów zostaną wykonane w nowym procesie technologicznym: 32 nm.
Według Intela tranzystory wykonane w nowym procesie mają o 22% wyższą wydajność niż w układach 45-nanometrowych. Na wykresach przedstawiono prąd przewodzenia (płynący, gdy tranzystor jest włączony) oraz prąd upływu (płynący, gdy tranzystor jest wyłączony) przy napięciu zasilania 1 V. Jak widać, tranzystory PMOS 32-nanometrowe przy takim samym upływie przewodzą znacznie lepiej od 45-nanometrowych, a takie samo przewodzenie uzyskują przy znacznie mniejszym upływie. Oznacza to możliwość zwiększenia taktowania przy takim samym budżecie energetycznym albo obniżenie poboru energii przy takim samym taktowaniu.
Proces 32 nm jest już opracowany, pierwsze działające procesory zostały już wykonane. Intel planuje zacząć produkcję układów 32 nm na wielką skalę w czwartym kwartale tego roku. Do produkcji w nowym procesie technologicznym zostaną przystosowane trzy fabryki obok działającej już D1D w Oregonie: w czwartym kwartale 2009 roku – D1C, również w Oregonie, w 2010 roku – Fab 32 w Arizonie i Fab 11X w Nowym Meksyku.
Proces 32 nm jest opracowywany i wdrażany jednocześnie w dwóch wariantach. Jeden z nich jest zoptymalizowany pod kątem procesorów (CPU), drugi – pod kątem układów zintegrowanych System-On-a-Chip (SOC). Oprócz procesorów serwerowych i desktopowych w nowym procesie technologicznym będą też produkowani przyszli następcy Atoma.
Rodzina procesorów Westmere
Pierwszymi procesorami produkowanymi w nowym procesie technologicznym będą układy z rodziny Westmere. Westmere, w odróżnieniu od Nehalema, na początku pokryje większość rynku procesorów, od najtańszych desktopowych poprzez laptopowe do wydajniejszych desktopowych. Procesory Nehalem są na razie przeznaczone tylko na najwyższy segment rynku – to najdroższe i najwydajniejsze układy dla entuzjastów.
Jak widać na przedstawionej powyżej „mapie drogowej”, na początek pojawią się na rynku 32-nanometrowe procesory do komputerów biurkowych o średniej i wysokiej wydajności oraz procesory laptopowe. Dopiero w 2010 roku obecne procesory Core i7 zostaną zastąpione układami 32-nanometrowymi – sześciordzeniowymi procesorami Gulftown. Procesory do desktopów mają nazwę kodową Clarkdale i będą miały dwa rdzenie fizyczne (cztery logiczne dzięki znanej z Nehalemów technice SMT). Podobnie laptopowe Arrandale będą dwurdzeniowe i czterowątkowe. Procesory 45-nanometrowe z rodziny Nehalem, czyli Lynnfield i Clarksfield, będą czterordzeniowe i będą koegzystować na rynku z dwurdzeniowymi Clarkdale i Arrandale. Dla obu tych platform Intel zamierza wyprodukować nowy chipset z serii 5.
Jak już wspominaliśmy w opisie architektury Nehalem, wraz z wprowadzeniem nowej mikroarchitektury procesorów zmienia się budowa całego systemu komputerowego. Dotychczasowe dwa układy tworzące chipset (mostek północny z kontrolerem pamięci i mostek południowy) zostaną zastąpione jednym układem PCH (ang. Peripheral Controller Hub). W procesorach Westmere kontroler pamięci i układ graficzny będą umieszczone wewnątrz procesora. Procesor będzie też zawierał kontroler PCI Express, co umożliwi podłączenie osobnej karty graficznej. Nowym elementem całej platformy będzie łącze FDI (ang. Flexible Display Interface – 'elastyczny interfejs wyświetlania'). FDI będzie służyć do przesyłania obrazu wygenerowanego w karcie graficznej do układu PCH, do którego będzie podłączony monitor. Nie jest na razie jasne, jak dokładnie działa to łącze. Powyższy schemat sugeruje, że monitor będzie się podłączać do płyty głównej nawet przy zastosowaniu osobnej karty graficznej.
Konstrukcja procesorów Westmere
Procesory Clarkdale i Arrandale będą zbudowane nieco inaczej niż dzisiejsze Nehalemy. W obecnych na rynku Core i7 kontroler pamięci jest częścią tego samego jądra krzemowego, w którym znajdują się rdzenie i pamięć podręczna. Westmere zostaną wykonane w technice MCM (ang. Multi-Chip Module – 'moduł wieloukładowy') – w jednym opakowaniu, na jednej płytce zostaną obok siebie umieszczone dwa jądra krzemowe. Jednym z nich będzie 32-nanometrowe jądro zawierające rdzenie procesora i ich pamięci podręczne. Drugi będzie zawierał kontroler pamięci i zintegrowany układ graficzny i będzie wykonany w technologii 45 nm. Rozprowadzanie sygnałów zegarów taktujących i podział zasilania w Nehalemach pozwala przypuszczać, że pamięć podręczna trzeciego poziomu, wspólna dla wszystkich rdzeni, będzie umieszczona razem z kontrolerem pamięci w części 45-nanometrowej.
Takie rozwiązanie nie jest co prawda w pełni satysfakcjonujące w świetle obietnic Intela o przejściu na niższy proces technologiczny, jednak przemawia za nim wiele względów ekonomicznych i technicznych. Po pierwsze, dwa małe rdzenie są łatwiejsze w produkcji niż jeden duży. Punktowy defekt w waflu krzemowym pełnym małych rdzeni oznacza utratę mniejszej części wafla, niż gdyby trzeba było wyrzucić duży rdzeń. Po drugie, łatwiej jest opracować układ graficzny w dojrzałym procesie technologicznym (co potwierdzają strategie NVIDI-i i ATI). Po trzecie, jeżeli istotnie pamięć podręczna L3 znajduje się w części 45-nanometrowej, upraszcza to znacznie kwestię zasilania jądra 32-nanometrowego. Cała część 32-nanometrowa znajduje się wtedy w jednej strefie zasilania (to samo napięcie, ten sam stan energetyczny). Po czwarte, nasycenie rynku middle- i low-end wymaga ogromnej liczby procesorów, co mogłoby być dla Intela trudne, gdyby chciał je wszystkie produkować w jednej fabryce. Rozwiązanie MCM pozwala wykorzystać moc przerobową starszych, 45-nanometrowych linii produkcyjnych.
Instrukcje AES
Procesory Westmere nie będą tylko zmniejszonym, przekonfigurowanym Nehalemem. Podobnie jak Penryn w stosunku do Conroe, Westmere wprowadzi pewne usprawnienia w mikroarchitekturze względem Nehalema, możliwe dzięki zwiększeniu limitu tranzystorów. Najważniejszym z nich (i na razie jedynym znanym) będzie zestaw nowych instrukcji procesora, określany jako AES.
Nazwa nowych instrukcji pochodzi od algorytmu szyfrowania AES (ang. Advanced Encryption Standard). Zestaw AES zawiera siedem nowych instrukcji, zaprojektowanych specjalnie z myślą o przyspieszeniu operacji typowych dla szyfrowania AES. Sześć z tych instrukcji (AESDEC, AESDECLAST, AESENC, AESENCLAST, AESIMC, AESKEYGENASSIST) ma zastosowanie tylko w szyfrowaniu AES, siódma (PCLMULQDQ, mnożenie bez przeniesienia dwóch liczb 64-bitowych) również jest przeznaczona głównie do przyspieszenia szyfrowania, ale może znaleźć zastosowanie także w aplikacjach multimedialnych. Siedem nowych instrukcji stanowi podzbiór zestawu instrukcji AVX (ang. Advanced Vector Extensions), który Intel planuje w pełni wprowadzić w procesorach wykonanych w procesie technologicznym 22 nm. Dokładniej o rozszerzeniach AVX i AES można przeczytać w dokumencie „Intel AVX Programming Reference” oraz na poświęconych im stronach Intela: Intel AVX oraz Intel AES.
Podsumowanie
Po zapoznaniu się z takimi informacjami nie sposób odmówić firmie Intel chęci ciągłego dążenia do ulepszania swoich produktów. Utrzymanie założonego przed dwoma laty tempa postępu w dziedzinie konstrukcji procesorów jest niemałym osiągnięciem. Jakie to ma jednak znaczenie dla konsumentów? Przeciętnego użytkownika komputera zupełnie nie interesują procesy technologiczne, prądy upływu, strefy zasilania ani mnożenie bez przeniesienia. Przeciętny użytkownik chce otrzymać produkt równie wydajny jak poprzedni, a tańszy, albo równie tani, a wydajniejszy. Obecnie dużo łatwiej niż kiedyś można dostrzec jeszcze inny trend wśród konsumentów. Wielu ludzi nie oczekuje od nowego urządzenia większej wydajności – człowiek, który koduje pliki wideo, nie dopłaci do nowego procesora, żeby kodować film 85 minut zamiast 90. Konsumenci szukają funkcjonalności – na przykład możliwości kodowania filmów w wyższej rozdzielczości w porównywalnym czasie. Czy nowe procesory zwiększą funkcjonalność komputerów – to będziemy mogli stwierdzić dopiero po tym, jak się pokażą. Wtedy będą mówić produkty, nie slajdy marketingowe. A konkurencja nie śpi, inżynierowie AMD pracują nad własną technologią. Miejmy nadzieję, że postęp w mikroprocesorach rzeczywiście nie zwolni i możliwości komputerów będą przez to coraz większe.
