Aрхитектурни решения в процесорите на Intel

Архитектурни решения в процесорите на
Intel
История:
Интел е известна най-вече с производството на микропроцесори и
специализирани интегрални схеми. Интел е производител на мрежови
карти, чипсети за системни платки, компютърни компоненти и други
устройства. Разработват изследователски проекти във всички области на
полупроводниковата промишленост.
Интел е вече една от най-големите и най-успешните корпорации в
света, въпреки че жестоката конкуренция в полупроводниковата индустрия е
влошила до известна степен нейната позиция към настоящия момент.
В началото Интел създават на набор от интегрални схеми за ново поколение
калкулатори. Техническото задание изисквало да се разработят 13 различни
вида интегрални схеми. Тед Хоф (Ted Hoff — бивш инженер от Станфордския
Университет), предлага алтернативен вариант. Вместо да се създават отделни
специализирани чипове, той предлага да се разработи програмируем чип с
общо предназначение, който да бъде програмиран за изпълнение на
аритметични операции.. Впоследствие този чип получил номер 4004 и бил
наречен микропроцесор. Изчислителната мощност на процесора Intel
4004 била равна на мощността на компютъра ENIAC и за времето си той
предлагал оптимално съотношение цена/производителност, но бил все още
недостатъчно мощен за използване в компютри. Скоростта на увеличаване на
изчислителната мощност на процесорите обаче била поразителна. Всеки нов
чип имал около 2 пъти повече транзистори, респективно изчислителна
мощност, и всеки такъв чип влизал в производство в рамките на 18-24 месеца
след предходния. Това е известният Закон на Мур, който е в сила и
понастоящем. Интел започва да развива микропроцесорната технология и да
произвежда все по-мощни чипове. През 1972 се появява 8-битовият процесор
Intel 8008. След това произвежда процесора Intel 8080, който се използва
масово в първите персонални компютри. През 1978 се появява 16-битовият
процесор Intel 8086. Микропроцесорите стават основен продукт на Интел чак
в средата на 80-те.

Гроув фокусира компанията върху производството на микропроцесори,
прекратява лицензните си отношения с конкурентни производители
като Zilog и AMD. В резултат от тези действия, Интел станал главният
печеливш от бума на пазара на персонални компютри в края на 20-и век.
През 90-те Интел прави много иновации в архитектурата и хардуера
на персоналните компютри: шината PCI; шината USB; шината AGP;
доминиращата днес архитектура за многопроцесорни сървъри.
В областта на софтуера успехите са по-ограничени. Софтуерът за
графика и видео изиграва важна роля за развитието на цифровото видео, но
тези успехи са временни и впоследствие са омаловажени от конкурентните
продукти на Microsoft(Майкрософт).
Без съмнение, Интел е движещата сила за напредъка в планарната
технология. Непрекъснатото намаляване на единичните размери на
електронните компоненти, в съгласие със закона на Мур, води до повишаване
на ефективността на производствения процес и има за следствие
поевтиняване на цените.
Графични функции:
Съвременните графични устройства са специализирани в управлението
на компютърна графика и тяхната силно паралелна структура на изчисления
ги прави много по-ефективни при боравенето с редица алгоритми, за разлика
от централния процесор. В домашния компютър, видеокартата може да е
отделен компонент, или вградена в дънната платка. Над 90% от новите
стационарни и преносими компютри имат вградени видеокарти, които
обикновено са далеч по-маломощни от тези, които са във вид на отделен
компонент.
От 2011 г. Интел решават да интегрират графични функции в самия процесор.
В голяма част от компютрите на пазара графичната карта е интегрирана
в дъното под формата на чип, който консумира повече електричество и отделя
топлина. С новото поколение процесори i3, i5, i7 Интел предлага графика и
процесор в едно, на доста добра цена. От AMD разбира се вече разработват
подобни продукти с леки модификации. За сравнение новите процесори
притежават вградена графика с мощност на нова видео карта от ценовия
сегмент на 84 $.

Микропроцесорна архитектура x86:
x86 е общото наименование на микропроцесорна архитектура,
първоначално разработена и произвеждана от Intel. Архитектурата е наречена
x86, защото първите процесори от тази фамилия са обозначавани с номера,
завършващи на 86: 8086,80186, 80286, 80386 (впоследствие i386) и 486 (i486).
Водена от маркетингови съображения и ограничена от невъзможността да
защити търговска марка върху число, Intel решава да именува следващите
процесори от тази фамилия с имена вместо с числови обозначения
(Pentium, Core). В крайна сметка обаче, името x86 остана като име на цялата
фамилия.
През 1985 г. Intel пуска 32-битовия процесор 386. Обикновено
обозначението x86 се използва за 32-битовата архитектура, като освен него се
използва и IA-32 (Intel Architecture 32-bit). Една от основните черти на x86
архитектурата е пълната софтуерна обратна съвместимост. Това означава, че
всеки нов член на фамилията може да изпълнява програмите, които са били
създадени за неговите предшественици. Тази съвместимост е една от
предпоставките за огромния успех на x86 архитектурата.
x86-64
В продължение на почти 20 години (от пускането на пазара на процесора
Intel 386 до 2003 г.) наборът от инструкции на x86-съвместимите процесори
бе 32-битов. С течение на времето това започна да се превръща в тясно място,
защото 32-битовият процесор не може да адресира повече от 4 GB
(232 байта) памет, което се оказва недостатъчно за някои приложения. Intel
временно облекчи проблема с модификации в начина на адресиране, но те
нито са елегантни, нито особено ефективни.
Гледната точка на Intel по това време е била, че x86 архитектурата вече е
изживяла времето си и трябва да бъде заменена с
перспективната VLIW архитектура IA-64, разработвана от години съвместно
с компанията HP. Въпреки теоретичните предимства на тази архитектура,
нейната производителност при работа със съществуващите 32-битови
приложения е разочароваща, а цената - главозамайваща.
Core 2/Core 2 Quad:

От Intel са взели решение за техния Core 2 Duo: кристалът е един и
съдържа и двете изпълнителни ядра в себе си. Двете ядра комуникират
помежду си с общ обем от кеш паметта, които може динамично да се
разпределя между ядрата в зависимост от нуждите им. Това има голяма
предимство по отношение на връзката между ядрата поради премахването на
нуждата да се комуникира посредством процесорна шина.
От друга страна при четириядрения процесор Intel са взели следното
решение. Техния Intel Core 2 Quad ,които е и първият четириядрен процесор,
представлява МСМ Package ( Multi Chip Module Package ), два двуядрени
процесора Core 2 Duo интегрирани на обща подложка, защитени от обща
топло разпределителна капачка и помещаващи се в един процесорен цокъл.
Помежду си те комуникират с помощта на процесорна шина, която има
тактова честота 1066Mhz. На свой ред всяко ядро в двата кристала
контактуват с другите през общия L2 кеш с размер 4MB. Благодарение на
наличието на 2 кристала общия обем на L2 е 8MB.
Архитектурата Sandy Bridge:
Една от основните характеристики на Sandy Bridge е високата
скорост. Процесорът е способен да преобразува „в движение” различни
формати данни.
Sandy Bridge използва следваща версия на технологията Turbo Boost – 2.0,
която може да ускорява и забавя процесора с цел оптимизиране на
производителността и консумацията на енергия.
Функцията Quick Sync Video ускорява кодирането и декодирането на
медийни формати, а Intel Wireless Display 2.0 осигурява показване на
съдържание на големи HDTV екрани с резолюция 1080p. В чипа е
интегрирана и технология, наречена Insider, благодарение на която
потребителите ще получат достъп но HD съдържание от Холивуд.
Фамилията Sandy Bridge включва 20 нови процесора Core i3, i5 и i7.
Първите достъпни чипове за лаптопи ще са четириядрени.
Ключова функция на Sandy Bridge микропроцесора е пръстеновидното
свързване, което не само намаля броя на проводниците по матрицата, но и
подобрява гъвкавостта. Пръстеновидното свързване е комуникационният

център за целият процесор, като всеки от компонентите има връзка с
пръстена и тази информация се предава на кеша и системата.
Пръстеновидното свързване е разделено на четири 32-байтови подразделения,
с логика зад тази система – 32-байтов пръстен перфектно разделя 64-
байтовата кеш линия на два различни пакета. Арбитражната система е
локализирана и разпределена на нивото на пръстена с цел да увеличава
честотата по-добре и да снабдява допълнителните ядра с по-лесен преход.
Sandy Bridge е първият процесор на Intel, който включва вградена
графична карта в платката на процесора. Sandy Bridge е, с 32-нанометрово
графично ядро, напълно интегрирано в силициевата платка на процесора.
Това ниво на интегриране позволява на Intel да намалят цялостната нужда от
енергия в сравнение с варианта, използващ няколко чипа. С графичното ядро,
разположено директно на процесора, енергийната ефективност е подобрена и
графичното ядро потенциално може да използва същите техники като
процесора за запазване на енергията. Това намаля цялостната енергийна
консумация и отделената топлина. Sandy Bridge включва процесор, който се
занимава с основните медийни задачи като видео кодиране и HD видео
плейбек. В епохата на YouTube и преносимите медийни устройства, видео
кодирането и декорирането е изключително важен графичен компонент, и
според ранни индикации, това е област, където Sandy Bridge може да се
конкурира с AMD и Nvidia.
Архитектурата Ivy Bridge:
След архитектурата Sandy Bridge, разработена по 32-нанометров
технологичен процес, Intel създава нова архитектура, носеща наименованието
Ivy Bridge, която всъщност е старата Sandy Bridge, но е разработена по 22-
нанометров технологичен процес. Отличава се главно с ниската си
консумация и съществени подобрения в графичната производителност.
Intel работи повече от 10 години по създаването на 3D транзисторите. Новите
транзистори 3D tri-gate се въвеждат за пръв път при Ivy Bridge. Новото
вградено графично ядро в кристала на процесора е HD Graphics 4000. Тя вече
разполага с 16 изпълнителни ядра и отделен L3 кеш. HD Graphics 4000
поддържа DirectX 11 и Shader 5.0. Новост е и поддръжката на три, вместо на
два външни дисплея. HD Graphics 4000 е характерна за трето поколение
процесори на Intel. Тази архитектура разполага и с екстремни

микропроцесори, които носят всички характеристики за подобряване на
производителността на сървърните продукти. Тези процесори разполагат с 6
ядра с Hyper-Threading технология, до 15 MB L3 кеш, PCI-Express 3.0 и с
четириканален контролер на паметта с честота 1866MHz .
Архитектурата Haswell:
В основата на процесорите от фамилията Intel Haswell, лежи 8-ядрен
силициев кристал. По-маломощните модели процесори (Intel Core i7-5930K и
Intel Core i7-5820K), имат по 6 ядра, като останалите две са блокирани.
Съвсем логично, компанията използва добре усвоеният 22 nm технологичен
процес. Това разбира се е заложено в стратегията им "тик-так", която
стриктно следват. Увеличил се e максималният брой ядра - 8 броя при Intel
Core i7-5960X Extreme edition, срещу 6 броя при предшественика му Intel
Core i7-4960X Extreme Edition. Благодарение на технологията Intel Hyper-
Threading, операционната система получава 16 независими потока
( логически процесорни ядра ), вместо 12. Разбира се, количеството
процесорни ядра се е отразило и на обема на L3 кеш паметта, който логично е
нараснал на 20 MB, тъй като е запазено съотношението от обем 2,5 GB за
всяко ядро. По отношение на контролера на паметта, освен прехода към
DDR4 стандарта e нараснала и тактовата честота на поддържаните модули.
Intel официално гарантират стабилна работа с DDR4 модули памет с тактова
честота до 2133 MHz. При предходното поколение Ivy Bridge скоростта е до
1866 MHz. Разбира се, по пътя на овърклок може да се постигнат значително
по-високи честоти и в това може да се убедите, като проследите какви модули
DDR4 памет предлагат