Intel Silvermont 22nm. Micro arquitectura. Etapas de Fetching – LowLevelHardware

En un artículo de ProfessionalSAT he hecho una introducción al nuevo procesador Atom Silvermont de 22 nm de Intel. Recomiendo la lectura de ese texto para estar familiarizado con algunos de los conceptos que son utilizados en el presente.

El mayor cambio en Silvermont respecto a los anteriores cores de la familia Atom es el cambio al procesamiento Out of Order (OoO) desde el primitivo concepto de ejecución In Order.

Ahora voy a describir, paso a paso, el pipeline de ejecución de Silvermont y las mejoras que aporta respecto a los antiguos cores (Bonnell 45 nm, Saltwell 32 nm).

Mejoras en las etapas de Fetch

Las etapas de fetching o carga de instrucciones son las primeras del pipeline de ejecución de cualquier procesador.

En Silvermont se ha llevado a cabo un rediseño profundo encaminado a alimentar adecuadamente de instrucciones a la nueva maquinaria de procesamiento out of Order.

Fetch en Atom Silvermont 22 nm.

La predicción de saltos o Branch Prediction ha sido totalmente reconstruida de un modo distinto a los antiguos Atom. Se ha dividido en dos componentes independientes que actúan cada uno por separado y están situados en diferentes etapas del pipeline de procesamiento.

El primer componente es el Predictor de Fetching (Fetch Predictor). Es un Branch Target Buffer, un predictor de baja latencia y con una precisión elevada pero no extrema.

La unidad de Fetching carga cada ciclo 16 bytes de instrucciones desde la caché L1i con ayuda del L1 iTLB en los 6 Prefecth Buffers. Estos buffers aíslan las etapas de fetch de las posteriores etapas de decodificación X86 y así puede adelantarse a estas en el stream de instrucciones.

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Intel: transición masiva a 45nm

De todos es sabido que Intel hace tiempo que introdujo el proceso de fabricación de 45 nm y actualmente ha migrado muchos de sus procesadores a este nodo.

Los 45 nm aportan un menor consumo y disipación térmica, una menor superficie y con ello un menor coste de fabricación y mayores beneficios. Además permiten una mayor frecuencia de reloj y un mayor número de transistores por die.

Si Intel pudiese hubiera traspasado toda su producción a los 45 nm, pero es un proceso costoso en el que hay que transformar las plantas de producción y no es cosa de un día.

Intel empezó por sus procesadores de servidores Xeon basados en la arquitectura Core2, donde AMD todavía dispone de un bastión con su arquitectura HyperTransport.

Ahora ya en el segmento sobremesa empieza a migrar todos sus procesadores paulatinamente.

Lo más inminente es el paso de los Core2Quad de la serie Q6000 de 65 nm a la serie Q9000 de 45 nm, completado prácticamente en Q1 2009.

En Q2 2009 desaparecen las series de 65 nm E4000 y E6000,  ambos dual cores, sustituidos por los E5000, E7000 y E8000 ya de 45 nm.

Los procesadores E2000 permanecerán hasta más allá de Q2 2009 junto con los E1000 y los Celeron 200, todos ellos de 65 nm. Así Intel, reservará sus últimas plantas de 65 nm para sus CPUs de gama baja migrando totalmente las demás a 45 nm a partir de mediados de 2009.

Sobre Atom, podemos ver que los volúmenes se incrementan en Q4 2008 y de ahí en adelante se mantienen, aunque pensad que hablamos de los single core de la serie 200 y no los dual core serie 300.

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Roadmap no oficial Intel 2010

De todos es sabido que Intel prepara una nueva familia de microprocesadores, basados en la arquitectura Nehalem y va a expandir su gama Atom con modelos dual core, en este roadmap no oficial se detallan estos movimientos.

Version PDF para descargar. Fuente PC Watch.

En el podemos ver como está previsto para finales de año (Q4 20089 lanzar los procesadores Core i7 en versiones quad core (Bloomfield) seguidos en Q3 2009 por Lynnfield.

Lynnfield será un quad core nativo con soporte DDR3 como Bloomfield, pero se diferencia en que su comunicación con el exterior será mediante enlaces PCIEx 2.0 16X y no QPI.

Wafer de procesadores Lynnfield 45nm.

Havendale / Auburndale serán CPUs con controladora gráfica integrada (GPU) derivadas de Lynnfield, serán un MCM de dos dies. Se ubicará en el segmento de consumo y portátiles (Centrino).

Le seguirá Westmere, un hexacore nativo con 12 MB L3. Recordemos que Intel tiene previsto para mediados de 2009 introducir los 32nm y así lanzar los núcleos Nehalem C, probablemente Westmere disfrute de este nuevo proceso.

De ahí en adelante aquí teneis el roadmap oficial de Intel hasta 2012:

Recordemos el esquema Tick-Tock con una cadencia de dos años:

Para terminar una comparativa de tamaños físicos de los procesadores Intel desde el primer Pentium.

Pulsa para descargar el GIF o PDF.

En cuanto a Atom, en breve Intel lanzará las versiones dual core, que se rumorea llegarán a los 2 GHz y mantendrán el soporte SMP (HyperThreading) resultando en 4 CPUs lógicas y 4 threads.

Será la serie Atom 300 esperada para Q3 2008.

Un Atom dual core a 2 GHz tendrá unas prestaciones respetables, aunque todavía arrastrará la losa del chipset Poulsbo.

Con un TDP de hasta 22W (!!) Poulsbo,  todavía fabricado en 130nm (!!) enturbia el soberbio diseño de Silverthorne.

Deberemos esperar a Linncroft para superar esta limitación y ver brillar este procesador. Contará con controladora de memoria y GPU integradas en el encapsulado del procesador. Se desconoce si será en un die único o un MCM.

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Intel Atom. El ultraportable.

El nuevo Intel Atom ha sido diseñado con una motivación: tener la mejor relación prestaciones por watt. Todo gira en él en torno a esta premisa. Su arquitectura superescalar de dos vias con multithreading y ejecución en orden, sus L1 de 24KB + 32KB y su L2 de 512KB con celdas de diseño específico para la máxima autonomía en dispositivos móviles.

Die del nuevo procesador Intel Silverthorne.

Atom es el nombre comercial del procesador internamente conocido como Silverthorne. Un pequeño ingenio de 47 millones de transistores fabricado por Intel en el proceso de 45nm High-K CMOS, el mismo proceso en que se fabrica Penryn y próximamente Nehalem, con una superficie de 25 mm2 y un encapsulado de 13x14 mm.

Atom es un procesador diseñado para ofrecer el menor consumo posible tanto en reposo como con altas de cargas de trabajo y en este particular Intel ha puesto toda su maestría y ha tomado decisiones que marcan esta microarquitectura a todos los niveles.

Minúsculo, ¡Nada más que 25 mm2!

Comparativa de tamaño de los chips portátiles de 2006 a 2008.

Atom marca un antes y un después en la integración de las plataformas x86 de Intel, Atom y Poulsbo, su chipset, son áltamente integrados (Poulsbo todavía se fabrica con tecnología de 130nm) y permiten su montaje en dispositivos de un tamaño que nunca antes se hubiese soñado con tal nivel de prestaciones y total compatibilidad x86.

Wafer de procesadores Atom.

Recordemos que Silverthorne posee total compatibilidad Intel Merom, es decir posee todos los juegos de instrucciones Intel hasta el SSSE3 de Core2. Con lo que asegura su total compatibilidad con los sistemas operativos y el software actual. Incluso soporta virtualización y proceso de 64 bits.

Distribución del die de Silverthorne, podemos ver los diversos FUBs.

Todas las CPUs x86 actuales desde el venerable Intel Pentium presentan núcleos de ejecución fuera de orden o OoOE (Out of Order Executution), Silverthorne no puede permitírselo debido a que incrementaría su consumo. De este modo ejecuta las instrucciones en orden de programa, si una instrucción necesita un dato no disponible se detiene la ejecución y provoca una parada en el pipeline (pipeline stall).

Wafer de procesadores Silverthorne.

Para evitar estos tiempos muertos Intel ha dotado a Atom com multithreading (al estilo Pentium 4 Hyperthreading). Es virtualmente imposible tener dos threads en ejecución con dos instrucciones independientes que no dispongan en L1 o L2 de los datos para operar.

El TDP de Atom se sitúa en un máximo de 2 Watt a 2 GHz y su consumo típico es del orden de algunos cientos de mW.

Su pipeline es de 16 etapas, algo largo considerando las 14 de Conroe/Merom y Penryn, pero, comprensible debido al SMT y a las 3 etapas de decodificación de instrucciones x86 (decode stages) . Parece ser que Nehalem también contará con 16 etapas.

Las 16 etapas de Silverthorne tiene una motivación clara: para evitar exceso de circuitería que aumentaría el consumo, se recurre a serializar los algoritmos, es decir a aumentar el número de etapas de ejecución. Por otro lado el multithreading requiere de algunas etapas extra para su gestión.

En primer plano el procesador Silverthorne, detras su chipset. Poulsbo.

Curiosamente Poulsbo tiene un footprint mayor que el propio Atom, en generaciones posteriores esto cambiará. Poulsbo está fabricado a 130 nm, para ahorrar costes. Contiene el Northbridge, el Southbridge y el núcleo gráfico 2D/3D de un fabricante no desvelado por Intel.

Atom es un procesador más CISC que sus antecesores. La arquitectura x86, odiada por muchos, es además de compleja, arbitraria en muchos sentidos: cuenta solamente con ocho registros (16 en 64 bits) y por ello continuamente accede o escribe en memoria.

13 x 14 mm.

La teoría, tanto en AMD o Intel, era descomponer las instrucciones CISC x86 en algo más manejable: microinstrucciones de tipo RISC. Esto se hace en las etapas de decoding. Con mucho esfuerzo e inversión diseñaron y construyeron excelentes núcleos de ejecución (AMD Athlon y sus derivativas, Intel Core y Core2) de estas pequeñas instrucciones que antes debían ser decodificadas y secuenciadas en complejos front-ends.

Con Silverthorne cambia radicalmente, para ahorrar energía la mayoría de las instrucciones x86 se procesan directamente sin la costosa decodificación y secuenciación.

Silverthorne sobre un wafer de Tukwilla, el gigantesco Itanium quadcore.

Todas las imágenes son propiedad de Intel corp.