Pentium M и «тайное оружие» Intel

Величие некоторых дел
состоит не столько в размерах,
сколько в своевременности их.
Сенека

Вместо предыстории

Есть такое слово — диверсификация, смысл которого по-русски можно передать приблизительно как "не следует класть все яйца в одну корзину". Применительно к бизнесу следование этому принципу позволяет оставаться на плаву даже в тех случаях, когда с основным направлением вдруг начинают возникать проблемы. В последнее время множество IT-компаний поступают именно так, начиная помимо главной продукции (например, материнских плат) производить видеокарты, ноутбуки и чуть ли не потребительскую электронику вроде MP3-плееров или медиацентров.

Процессор Pentium M в "сокетном" исполнении Micro FC-PGA

Надо сказать, Intel в свое время очень кстати завела "еще одну корзину", да и выстелила ее достаточно мягко, потратив уйму сил и средств на разработку мощного процессора для мобильных ПК. Вполне очевидно, что с выпуском Pentium M и платформы Centrino компания создала для себя огромный рынок сбыта, спровоцировав настоящий бум продаж ноутбуков. Так, в прошлом году в США по объемам реализации они впервые опередили настольные ПК (в денежном выражении), а до 2008 г. прогнозируется 40%-ный ежегодный рост продаж портативных систем.

Но что-то нам подсказывает — не только на одни ноутбуки был нацелен Pentium M. Помнится, еще на ганноверском CeBIT 2003, на котором Intel официально представила этот процессор и технологию Centrino, одним из первых каверзных вопросов журналистов был: "А когда Pentium M появится в десктопных системах?". Тогда представители Intel ответили уклончиво — мол, процессор предназначен для совершенно иного рынка, упор сделан именно на критичные для мобильных пользователей возможности и т. д. Однако первым звоночком стала появившаяся через некоторое время информация о том, что Pentium M собираются использовать в сверхкомпактных blade-серверах, размещающих все свои компоненты (процессор, память и даже портативный жесткий диск) на одной небольшой плате. И чем внимательнее компьютерная общественность присматривалась к Pentium M, тем яснее становилось, что в обозримом будущем он должен появиться и в десктопах. В конце концов, если этого не сделает Intel, за нее это сделает кто-то другой.

Таблица 1. Сравнительные характеристики мобильных процессоров Intel
Процессор	Pentium III-M	Pentium 4-M	Pentium M
Кодовое название ядра	Tualatin	Northwood	Banias	Dothan
Число транзисторов	44 млн.	55 млн.	77 млн.	140 млн.
Технологический процесс, мкм	0,18	0,13	0,13	0,09
Размеры и площадь ядра	79 мм2	11,62×11,34 мм 131,8 мм2	10,56×7,84 мм 82,8 мм2	12,33×6,78 мм 83,6 мм2
Объем L1-кэша (инструкции/данные)	16/16 KB	12K/8 KB	32/32 KB	32/32 KB
Объем L2-кэша	512 KB	512 KB	1 MB	2 MB
Частота системной шины, MHz	133/100	400	400	400
Диапазон тактовых частот*	650 MHz—1,33 GHz 600 MHz—1 GHz (LV) 500—866 MHz (ULV)	1,40—2,60 GHz	1,30—1,70 GHz 1,10—1,30 GHz (LV) 900 MHz—1,10 GHz (ULV)	1,7—2,0 GHz
Напряжение питания, В	1,4	1,3—1,5	1,004—1,484	0,956—1,052
Рассеиваемая мощность, Вт	28	35	24,5	21
Поддержка управления питанием шины	-	-	+	+
Наличие выделенного диспетчера стеков	-	-	+	+
Технология наслоения микроопераций	-	-	+	+
Поддержка Intel Mobile Voltage Positioning (MVP IV)	-	-	+	+

* LV — Low Voltage, ULV — Ultra Low Voltage.

Действительно, давайте немного пофантазируем — к примеру, на тему домашней или офисной системы, основанной на Pentium M. Производительность — во-первых, достаточно высока, несмотря на довольно скромные значения тактовых частот по сравнению с десктопными CPU, а во-вторых, уже давно не является критичным параметром для большинства пользователей. Энергопотребление более чем умеренно — рассеиваемая мощность процессора в разы меньше, чем у современных Pentium 4. И хотя само по себе малое потребление не слишком актуально в наших условиях, но из этого следует важный вывод: системе не требуется мощное охлаждение. Можно вообще сделать ее одновентиляторной — единственный "интеллектуальный" кулер с автоматически регулируемой частотой вращения способен обеспечивать охлаждение всей системы. Изобретать велосипед здесь совершенно не нужно — все это уже давно придумано и реализовано, например в ноутбуках, где используется внешний блок питания, а встроенный вентилятор включается только при необходимости — в остальное время система работает полностью бесшумно (потрескивание жесткого диска, естественно, не в счет). К тому же сам Pentium M изготовляется в том числе и в "сокетном" варианте Micro FC-PGA, который устанавливается в разъем на плате аналогично десктопным процессорам. Ну чем не привлекательна перспектива иметь мощную, малопотребляющую и вместе с тем тихую (!) домашнюю систему?

Надо сказать, эти фантазии стали намного ближе к реальности, когда Intel практически вместе с объявлением новой модификации Pentium M сообщила о прекращении разработки Tejas и Jayhawk — десктопных/серверных процессоров следующего поколения, основанных на все той же архитектуре NetBurst (см. статью в прошлом номере — "Компьютерное Обозрение", # 20, 2004, itc.ua/17232). Основной причиной стало понимание того, что механизмы внутрипроцессорного параллелизма (такие, как Hyper-Threading) и дальнейший рост частот не дают ожидаемого прироста производительности, в то время как тепловыделение повышается весьма значительно и уже выходит за разумные рамки. В связи с этим заявлением эксперты начали поговаривать и о том, что в мире десктопов возможна скорая "смена власти", и в качестве основной архитектуры Intel будет использовать именно ядро Pentium M.

Таблица 2. Численная оценка масштабов модификаций в ядре Dothan
Ядро	Banias	Dothan	Разница
Общее число транзисторов в ядре	77 млн.	140 млн.	82%
Из них используется на L2-кэш (оценочно)	50,3 млн. (65%)	100,7 млн (72%)	100%
Остается "кроме кэша" (оценочно)	26,7 млн.	39,3 млн.	48%

Если допустить правдивость этих предположений, становится понятным, насколько вовремя Intel запустила разработку нового процессора, создав его практически "с нуля" и в итоге сделав его совмещающим, казалось бы, несовместимое — высокую производительность с прекрасными потребительскими характеристиками (низкое тепловыделение, отличная масштабируемость и функциональность). Почтенная архитектура NetBurst, прослужившая в течение трех с половиной лет (с ноября 2000 г., когда был выпущен Pentium 4 Willamette), в своем развитии уже "уперлась" в свои же ограничения. Но теперь у Intel остается хорошая возможность элегантным движением достать из рукава "туза" в виде Pentium M, который… впрочем, о его достоинствах мы уже не раз говорили. Кто знает — может быть, Intel вскоре избавится от одной из линеек процессоров, и все вернется к старым добрым временам, когда одна удачная для своего времени архитектура использовалась как для десктопов, так и для ноутбуков (вспомним, например, Pentium III и Pentium III-M, Pentium 4 и Pentium 4-M)…

Однако довольно общих рассуждений и предположений, пора переходить к рассмотрению главного предмета нашего внимания — новой модификации Pentium M на ядре Dothan, которая (как минимум пока) будет использоваться именно в ноутбуках.

Особенности нового ядра Dothan

Суслик — это тот же бобер,
только в один раз меньше…
Из разговора с 5-летней племянницей

Технологические нововведения, официально объявленные и реализованные в ядре Pentium M Dothan, в принципе, можно пересчитать по пальцам одной руки. Это:

• 90-нанометровый техпроцесс с использованием технологии напряженного кремния;
• увеличенный до 2 MB кэш второго уровня;
• усовершенствованная система доступа к регистрам;
• улучшенная предварительная выборка данных;
• более высокие тактовые частоты.

Как видим, все достаточно лаконично — в остальном новая модификация Pentium M на первый взгляд аналогична предыдущей, основанной на ядре Banias (табл. 1). Но это только на первый взгляд.

Давайте для начала попробуем "численно" оценить масштабы изменений, произошедших в новом ядре. Количество транзисторов в ядре Dothan составляет 140 млн. — на 63 млн. больше по сравнению с Banias (табл. 2). Из этой разницы, по приблизительным оценкам, порядка 50 млн. можно отнести на счет удвоившегося L2-кэша (дополнительный 1 MB, по шесть транзисторов на одну ячейку кэш-памяти). "Неучтенными" остаются еще около 13 млн. элементов. Если посчитать, что в Banias с его 77 млн. транзисторов и 1 MB кэша на "не кэш" приходится около 26—27 млн., то получается, что число элементов в этой части процессорного ядра увеличилось почти наполовину! Наверняка рост числа транзисторов в "некэшевой" части Pentium M почти в 1,5 раза при переходе на новое ядро означает наличие достаточно серьезных модификаций…

Что же по сути кроме увеличенного до 2 MB L2-кэша, изменилось в Pentium M? По словам Intel, это два основных новшества — усовершенствованная система доступа к регистрам (Enhanced Register Access Manager), управляющая регистрами при записи/чтении слов разной длины, и улучшенная предварительная выборка данных (Enhanced Data Pre-fetcher), реализующая модифицированный алгоритм работы кэша второго уровня. Детали функционирования этих (впрочем, как и других) блоков процессора в Intel пока что не раскрывают, и нам лишь остается проверять пользу от данных новшеств на практике. Дополнительно известно, что в ядре Dothan реализовано предсказание косвенных переходов — т. е. случаев, когда адрес перехода является не константой в программном коде, а хранится в регистре или ячейке памяти.

В связи с этим интересно сравнить общедоступную техническую документацию на Pentium M и, например, на один из десктопных процессоров Intel — скажем, тот же Pentium 4 с ядром Prescott. Для Prescott в отдельном документе достаточно детально и хорошим техническим языком описываются особенности архитектуры, используемые технологии, алгоритмы работы всех основных блоков и пр. С Pentium M все совсем не так. Назначение ножек, сигналы, электрические и температурные спецификации — пожалуйста. Но никакой информации относительно алгоритмов работы конвейера, кэша, предсказателя переходов, выборки данных из памяти… Не потому ли это, что архитектура Pentium M — своего рода "тайное оружие" Intel, детали функционирования которого компания пока что не особо спешит раскрывать?..

Фотографии кристаллов двух модификаций Pentium M: Dothan (сверху) и Banias. Несмотря на почти вдвое увеличившееся число транзисторов, размер кристалла у Dothan практически не изменился

Хотя число элементов в новом ядре почти удвоилось, размеры его практически не изменились. Произошло это, в основном, за счет перехода на 90-нанометровый технологический процесс, в результате чего сами элементы стали меньше в размерах. На фото хорошо видно, сколько занимает L2-кэш в каждом из двух процессоров. В Dothan применена технология напряженного кремния, позволяющая увеличить быстродействие транзисторов (впервые использована Intel в ядре Pentium 4 Prescott, детальнее см. "Компьютерное Обозрение", # 5, 2004). Привлекает внимание тот факт, что для Dothan, несмотря на его почти вдвое большее число транзисторов и увеличенные тактовые частоты, заявлено даже меньшее тепловыделение, чем у процессоров на ядре Banias. Что ж, если это подтвердится практикой и ноутбуки с Pentium M Dothan окажутся способными отработать те же 4—5 ч под нагрузкой, что и современные модели с Pentium M Banias, и вдобавок (надеемся) окажутся более производительными, это будет значительным достижением.

Как известно, максимальная частота для Pentium M с ядром Banias составляла 1,7 GHz. Отсчет для нового семейства начался с этого же значения: на ядре Dothan было выпущено сразу три процессора Pentium M — с частотами 1,7, 1,8 и 2,0 GHz. Итого, на сегодня в семействе Pentium M мы имеем 14 чипов — три низковольтных (Low Voltage), три "совсем низковольтных" (Ultra Low Voltage) и восемь "обычных" с частотами от 1,3 до 2,0 GHz (табл. 3).

Новые Pentium M Dothan стали первыми процессорами Intel, в которых начали использоваться процессорные номера. Детально об этих номерах и их назначении мы уже писали ("Компьютерное Обозрение" # 13, 2004). Напомним, что основная функция процессорного номера — четкая идентификация конкретного CPU в рамках одного семейства: трехзначное число заменяет длинный перечень параметров CPU, однако не является ни значением тактовой частоты, ни индексом производительности. Три процессора на ядре Dothan получили номера Pentium M 755 (2 GHz), 745 (1,8 GHz) и 735 (1,7 GHz).

Таблица 3. Процессоры семейства Intel Pentium M
Ядро	Номер процессора	Тактовая частота	Цена в партиях по 1000 шт., $
Pentium M Ultra Low Voltage
Banias	—	900 MHz	н/д
Banias	—	1,0 GHz	н/д
Banias	—	1,1 GHz	н/д
Pentium M Low Voltage
Banias	—	1,1 GHz	н/д
Banias	—	1,2 GHz	н/д
Banias	—	1,3 GHz	н/д
Pentium M
Banias	—	1,3 GHz	209
Banias	—	1,4 GHz	209
Banias	—	1,5 GHz	209
Banias	—	1,6 GHz	241
Banias	—	1,7 GHz	294
Dothan	735	1,7 GHz	294
Dothan	745	1,8 GHz	423
Dothan	755	2,0 GHz	637

Подводя краткий итог, мы видим, что по спецификациям Pentium M остался в тех же физических рамках (размеры, напряжение питания, степень нагрева и пр.). Частота системной шины также не изменилась — это по-прежнему 400 MHz. Но за счет более высоких частот и большего объема L2-кэша новый процессор обещает быть производительнее. Насколько — покажет тестирование, с результатами которого вы можете ознакомиться, перевернув страницу.