W tym roku konferencję otwarto w podobnym duchu. Na pierwszym IDF-ie, w 1997 roku, mówiono głównie o procesorach. Dziś procesory nie wystarczają; najważniejsze dla Intela są doświadczenia użytkowników. Jakkolwiek nieswojo to brzmi po polsku, jest w tym sporo prawdy.
Piętnaście lat temu Intel produkował procesory: coś interesującego dla specjalistów. Dziś, w erze smartfonów i tabletów, procesor to tylko część interesującego przedmiotu. I to taka część, o której większość użytkowników nie wie. W końcu to nie procesor powoduje, że nowo kupione urządzenie wydaje nam się fajne... prawda?
No, nie do końca. Rzeczywiście większość „fajności” zapewnia użyteczne oprogramowanie albo atrakcyjny wygląd i forma. Ale i to, i to wymaga odpowiedniego układu scalonego, który będzie sercem urządzenia. Wielokrotnie już mówiliśmy, że producenci sprzętu muszą dbać o powstawanie atrakcyjnych urządzeń i oprogramowania, czyli po prostu znajdować nowe zastosowania dla swoich produktów.
Stąd Intel nie zajmuje się już tylko procesorami, platformami komputerowymi czy urządzeniami: chce tworzyć nowe doświadczenia, nowe sposoby interakcji ludzi z elektroniką. Nowe sposoby użytkowania, komputery w coraz bardziej zaskakujących miejscach: w tym największy producent półprzewodników widzi swoją przyszłość.
Atak ultrabookotabletofonów
Intel chce zmienić sposób, w jaki ludzie używają komputerów (w każdej formie, również smartfonów). Swoje wysiłki będą skupiać na dwóch obszarach: nowych rodzajach urządzeń przenośnych i nowych metodach interakcji z nimi.
Pierwszy z tych obszarów to głównie ultrabooki (od dwóch lat jedno z ulubionych słów w wystąpieniach publicznych Intela). Kiedy w 2011 roku przedstawiono pierwszy raz nazwę i koncept cienkiego, lekkiego laptopa z procesorem Intela, obiecano kolejne etapy rozwoju tych urządzeń. Dzięki procesorom Ivy Bridge w 2012 roku miało przybyć modeli ultrabooków, a ich dostępność (również w różnych przedziałach cenowych) miała się zwiększyć. Do końca 2012 roku jeszcze kawałek, ale prognoza na razie się spełnia. Obiecano też, że w 2013 roku procesory Haswell „zdefiniują ultrabooki na nowo”. Spece od marketingu rozumieją przez to zatarcie granicy między laptopem, to jest dwuczęściowym urządzeniem z ekranem w jednej a klawiaturą w drugiej części, a monolitycznym tabletem, w którym ekran dotykowy jest główną drogą wprowadzania danych.
I rzeczywiście, takie urządzenia powstają już dziś, nawet bez procesorów Haswell. Przedstawiono między innymi takie konstrukcje jak ASUS Vivo Tab (znany wcześniej jako Tablet 810), Dell Inspiron Duo, Toshiba Portege M930. W jednych klawiaturę można odłączyć od ekranu, w innych obrócić ekran o 180 stopni, w jeszcze innych zasłonić nim klawiaturę, i w ten sposób przekształcić w tablet.
Ultrabooki nie zmieniające się w tablet też będą miały coś nowego: ekrany dotykowe. Wraz z rynkowym debiutem systemu Windows 8 ma się pojawić kilkadziesiąt modeli ultrabooków z ekranami dotykowymi. Intel szacuje, że po ustabilizowaniu się cen laptopy z ekranami dotykowymi będą kosztowąło ok. 100 dolarów więcej, niż analogiczne modele ze zwykłym ekranem.
Drugim obszarem, który Intel chce unowocześnić, jest interakcja z komputerami. Stopniowe odchodzenie od sprzętowej klawiatury i myszki na rzecz interfejsów dotykowych to według nich dopiero początek. Kolejne kroki to rozpoznawanie mowy i gestów. przedstawiono prototypowe rozwiązania obu typów. Program Dragon Assistant uruchomiony na laptopie z Ivy Bridge rozpoznawał proste polecenia, podobnie do Siri albo Google Now. Demonstracja robiła wrażenie prędkością działania i bezproblemowym rozpoznawaniem języków innych niż angielski. Niestety, na razie to wciąż wersja beta, a Intel i dostawca tego programu nie planują udostepniać go inaczej, niż w pakiecie z wyselekcjonowanymi ultrabookami... Rozpoznawanie gestów również wygląda obiecująco: w demonstracji użyto podwójnej kamery (światła widzialnego i podczerwieni) opracowanej wspólnie z Creative. Brzmi jak Microsoftowy Kinect, i tak też działa. Zanim będzie można to rozwiązanie wykorzystać w urządzeniach przenośnych, inżynierowie Intela muszą znaleźć sposób na zminiaturyzowanie kamery i zmniejszenie jej prądożerności.
Jak wspomnieliśmy, część innowacji w przyszłorocznych ultrabookach wymagała opracowania nowego procesora, od początku projektowanego z myślą o energooszczędności. Przyjrzyjmy się architekturze procesorów Haswell.
Haswell – architektura następnej generacji
W ramach strategii Tick-Tock Haswell to Tock, czyli procesory zbudowane w nowej mikroarchitekturze, ale w znanym i sprawdzonym procesie technologicznym. Oczywiście procesy produkcyjne cały czas ewoluują; znany proces 22 nm z tranzystorami z trójstronną bramką, wykorzystany do produkcji układów Ivy Bridge, przejdzie małe modyfikacje, żeby jeszcze bardziej skupić się na oszczędności energii. Szczegółów na razie nie podano, ale spodziewamy się je usłyszeć jutro lub pojutrze.
Enerogooszczędność była głównym założeniem projektantów Haswella. Podobnie jak Sandy Bridge, ta architektura posłuży do zbudowania procesorów do całej gamy zastosowań, od urządzeń przenośnych do serwerów. Okazuje się, że wymagania stawiane procesorom do laptopów i do serwerów są bardzo podobne. Dziś w jednym i drugim obszarze najważniejsza jest dobra wydajność przy niskim poborze energii.
Punktem wyjściowym przy projektowaniu była architektura Sandy Bridge. Inżynierowie zachowali jej podstawowe cechy: rdzenie przetwarzają dwa wątki dzięki HyperThreadingowi, są podłączone magistralą pierścieniową do wspólnej pamięci podręcznej i kontrolera pamięci, a cały procesor dość agresywnie zarządza energią i wydajnością dzięki trybom Turbo. Za to w samym rdzeniu zaszły spore zmiany.
Najważniejszą nowością jest obsługa zestawu instrukcji AVX2. AVX (Advanced Vector Extensions) wprowadzono w procesorach Sandy Bridge. Polegało na poszerzeniu wszystkich zmiennoprzecinkowych instrukcji SSE z 128 do 256 bitów: dzięki temu można jedną instrukcją przetwarzać dwa razy więcej danych. AVX2 poszerza do 256 bitów również instrukcje SSE operujące na liczbach całkowitych. Haswell obsługuje też instrukcje FMA, czyli mnożenie dwóch liczb i dodawanie wyniku do trzeciej liczby, wszystko w jednej instrukcji. Samo mnożenie trwa 5 cykli zegara, dodawanie 3 cykle, a FMA wykonywane jest z prędkością mnożenia: czyli dwie operacje trwające w sumie 8 cykli można zastąpić jedną. Dodatkowo zyskujemy precyzję, bo zamiast dwóch zaokrągleń (wyniku mnożenia i wyniku dodawania) tylko końcowy wynik jest zaokrąglany.
Wykorzystanie benefitów instrukcji AVX2 i FMA wymaga oczywiście co najmniej skompilowania od nowa, a najlepiej dokładnej optymalizacji oprogramowania. Sporo czasu upłynie, zanim zauważymy korzyści w popularnych programach. Ale dodanie tych nowych instrukcji wymusiło inne zmiany w architekturze, których skutki będą widoczne od zaraz, w aktualnym oprogramowaniu.
Jedną z tych ważnych zmian są dwie nowe jednostki wykonawcze. W Sandy Bridge było ich sześć; w Haswellu jest osiem, co oznacza, że procesor może wykonać do ośmiu mikrooperacji w jednym cyklu zegara. Dwie nowe jednostki zajmują się arytmetyką na liczbach całkowitych i generacją adresów do zapisywania danych w pamięci operacyjnej. Ich głównym zadaniem jest odciążenie głownej jednostki arytmetycznej (którą lepiej wykorzystać do wykonywania instrukcji FMA) i dwóch jednostek pobierania danych z pamięci (skoro instrukcje operują teraz na 256-bitach, to trzeba pobrać dwa razy więcej danych z pamięci!). Żeby „nakarmić” danymi nowe, szersze jednostki wykonawcze, podwojono przepustowość pamięci podręcznych L1 i L2. Szybsze pobieranie z pamięci podręcznych polepszy wydajność także w aktualnych aplikacjach.
Skoro do dyspozycji jest więcej jednostek wykonawczych, to trzeba przygotować więcej instrukcji, żeby je wszystkie wykorzystać. W tym celu zmieniono cały front-end, czyli część odpowiedzialną za dekodowanie i kolejkowanie instrukcji. Usprawniono układ przewidywania skoków i powiększono obszar kodu, w którym scheduler poszukuje instrukcji dających się wykonać poza kolejnością.
Dodano też kilka instrukcji manipulujących bitami w jednym rejestrze, co ma pomóc w zastosowaniach kryptograficznych. Prognozy przewidują nawet kilkukrotny wzrost wydajności, w zależności od zastosowanego algorytmu; ale szczegóły poznamy dopiero za kilka miesięcy. Ukłonem w stronę serwerowych zastosowań tej mikroarchitektury jest mechanizm TSX, składający się z grupy dodatkowych instrukcji, ułatwiających programowanie wielowątkowych programów. Ma pomagać w sytuacjach, gdy dwa wątki próbują jednocześnie obrabiać te same dane. TSX wymaga zmian w kodzie programu, ale w najleszym przypadku polepsza skalowanie wraz z liczbą wątków i ułatwia nieco programowanie.
Wszystkie wspomniane zmiany nie spowodowały wydłużenia potoku wykonawczego, więc koszt złego przewidzenia skoku jest taki sam. To znaczy, że w starszych aplikacjach możemy się spodziewać wyraźnego wzrostu wydajności. O ile – nie wiadomo. Dokładna skuteczność tych usprawnień w architekturze pozostaje jeszcze tajemnicą; inżynierowie Intela powiedzeli tylko, że różnica wydajności między Haswellem a Sandy Bridge ma być podobna, jak między Sandy Bridge a Nehalemem.
Haswell – zarządzanie energią
Oczywiście wzrost wydajności służy w pewien sposób oszczędzaniu energii, ale to nie wszystko, co w tym kierunku zrobili projektanci Haswella.
Zacznijmy od zmian wysokopoziomowych. Pierwszą oszczędzającą energię funkcją są nowe stany energetyczne S0i (S od słowa sleep, czyli stan uśpienia). Każdy S-stan ma w Haswellu swój odpowiednik; zamiast S3 można przełączyć procesor w S0i3, który ma łączyć zalety S0 i S3, czyli niski pobór energii jak w S3 i bardzo szybki powrót do stanu aktywności, jak S0. Nowe stany energetyczne są niewidzialne dla systemu operacyjnego, zarządza nimi mikrokontroler w procesorze.
Cały procesor z rdzeniami Haswell będzie podzielony na więcej stref taktowania i zasilania. W Sandy Bridge były trzy takie strefy: jedno napięcie i taktowanie miał system agent, drugie – rdzenie wraz z magistralą pierścieniową i pamięcią podręczną L3, trzecie – wbudowany układ graficzny. W Haswellu rdzenie są oddzielone od pierścienia i pamięci L3. To pozwala pozostawić je w stanie niskiego taktowania i napięcia, gdy układ graficzny intensywnie wykorzystuje pamięć podręczną i magistralę pierścieniową łączącą go z kontrolerem pamięci. Dzięki temu w wielu zastosowaniach multimedialnych można zaoszczędzić sporo energii. To też niestety oznacza, że procesor będzie zasilany czterema różnymi napięciami, a nie trzema jak w Sandy i Ivy Bridge. Stąd konieczność kolejnej zmiany podstawki i montowania bardziej skomplikowanych, a więc droższych układów zasilania na płytach głównych.
Dodatkową oszczędność energii osiągnięto dzięki bardziej zaawansowanemu bramkowaniu sygnałów zegarowych i zasilania. Procesor jest podzielony na więcej mniejszych segmentów, które można odłączyć, kiedy nie są używane. Wszystkie wymienione usprawnienia powodują, że w stanie spoczynku procesor Haswell może pobierać nawet 20 razy mniej prądu, niż porównywalny Ivy Bridge! W obciążeniu też pobiera mniej energii, co zademonstrowano na inżynieryjnej platformie z procesorem Haswell.
Platforma z wczesną wersją laptopowego Haswella wyświetlała benchmark Unigine Heaven znacznie płynniej, niż 17-watowy laptop z Ivy Bridge, a do tego pobierała dwa razy mniej prądu.
Nowy układ graficzny
Układ graficzny, który będzie wbudowany w laptopowe i desktopowe procesory Haswell jest ewolucją HD Graphics 4000 znanego z Ivy Bridge. Zamiast dwóch wariantów będą trzy (GT1, GT2, GT3): z 10, 20 i 40 jednostkami cieniującymi (w Ivy Bridge 6 lub 16). Plotki mówią, że ten trzeci, najwydajniejszy, będzie dostępny tylko w procesorach laptopowych. Oprócz czystej mocy obliczeniowej dostaniemy kilka ulepszeń w obsłudze multimediów, szczególnie kodowania wideo. Więcej informacji o grafice w Haswellach podamy wkrótce.
Nowa marka procesorów?
Jedną z najbardziej zaskakujących informacji były plany Intela na stworzenie bardzo energooszczędnej wersji procesora Haswell, z bardzo niskim napięciem zasilania i mostkiem południowym zintegrowanym w obudowie procesora (ale na oddzielnym kawałku krzemu, na podobieństwo Clarkdale).
Taki procesor miałby TDP około 10 watów i znalazłby się w tabletach lub ultrabookach zmieniających się w tablety. Marketingowcy uważają to za tak rewolucyjne rozwiązanie, że nie chcieliby dawać mu nazwy Atom ani Core. Czy na rynku pojawi się nowa marka procesorów? To się okaże najdalej w połowie przyszłego roku, bo wtedy pierwsze procesory z rdzeniami Haswell mają trafić na rynek.
Więcej informacji z Intel Developer Forum 2012 już jutro o tej samej porze – zostańcie z nami!