Двухъядерные процессоры

Вступление

Самым значимым событием 2005 года в области микропроцессоров стало появление в продаже CPU с двумя ядрами. Причем появление в продаже двухъядерных процессоров произошло очень быстро, и без особых трудностей. Самым большим достоинством новых продуктов явилось то, что переход к двухъядерной системе не требовал смены платформы. Фактически любой пользователь современного компьютера мог придти в магазин и поменять один только процессор без смены материнской платы и остального "железа". При этом уже установленная операционная система моментально обнаруживала второе ядро (в списке оборудования появлялся второй процессор), и никакой специфической настройки программного обеспечения не требовалось (не говоря уже о полной переустановки ОС).

Идея появления подобных процессоров лежит на поверхности. Дело в том, что производители CPU практически достигли потолка наращивания производительности своих продуктов. В частности AMD уперлась в частоту 2.4Ггц при массовом производстве процессоров Athlon 64. Справедливости ради отметим, что лучшие экземпляры способны работать на частотах 2,6-2,8Ггц, но их тщательно отбирают и выпускают в продажу под маркой Athlon FX (соответственно модель с частотой 2,6Ггц имеет маркировку FX-55, а 2,8Ггц - маркировку FX-57). Однако выход столь удачных кристаллов очень мал (это легко проверить разогнав 5-10 процессоров). Следующий скачек в тактовой частоте возможен при переходе на более тонкий техпроцесс, но этот шаг запланирован компанией AMD только на конец этого года (в лучшем случае).

У компании Intel ситуация похуже: архитектура NetBurst оказалась неконкурентоспособной в плане производительности (макс. частота 3,8 ГГц) и тепловыделения (~150 Вт). Смена ориентации и разработка новой архитектуры должна занять некоторое время (даже с учетом большого количества наработок Intel). Поэтому, для Intel выпуск двухъядерных процессоров также является большим шагом вперед по повышению производительности. В сочетании с успешным переходом на 65 нм техпроцесс, подобные процессоры смогут на равных конкурировать с продуктами AMD.

Главным инициатором в продвижений двухъядерных процессоров выступила компания AMD, которая сначала представила соответствующий Opteron. Что касается настольных процессоров, то здесь инициативу перехватила компания Intel, анонсировавшая процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. А через считанные дни, состоялся анонс линейки процессоров Athlon64 X2 производства AMD.

Итак, обзор двухъядерных процессоров мы начинаем с рассмотрения Athlon64 X2

Процессоры AMD Athlon 64 X2

Первоначально компания AMD объявила о выпуске 4х моделей процессоров: 4200+, 4400+, 4600+ и 4800+ с тактовыми частотами 2,2-2,4Ггц и разным объемом кеш-памяти второго уровня. Цена на процессоры находится внутри диапазона от ~430$ до ~840$. Как мы видим, общая ценовая политика выглядит не очень дружественно к среднестатистическому пользователю. Тем более, что самый дешевый двухъядерный процессор Intel стоит ~260$ (модель Pentium D 820). Поэтому, что бы увеличить привлекательность Athlon 64 X2, AMD выпускает модель X2 3800+ с тактовой частотой 2.0 Ггц и объемом кеша L2 = 2x512Кб. Цена на этот процессор начинается с 340$.

Поскольку для производства процессоров Athlon 64 X2 используется два ядра (Toledo и Manchester), то для лучшего восприятия сведем характеристики процессоров в обну таблицу:

Все процессоры имеют кеш-память первого уровня 128Кб, штатное напряжение питания (Vcore) 1,35-1,4В, а максимальное тепловыделение не превышает 110 Вт. Все перечисленные процессоры имеют форм-фактор Socket939, используют шину HyperTransport = 1Ггц (множитель HT = 5) и произведены по 90нм техпроцессу с использованием SOI. Кстати, именно использование столь "тонкого" техпроцесса позволило добиться рентабельности производства двухъядерных процессоров. Для примера ядро Toledo имеет площадь 199 кв. мм., а количество транзисторов достигает 233,2 миллионов!

Если посмотреть на внешний вид процессора Athlon 64 X2, то он совершенно не отличается от других процессоров Socket 939 (Athlon 64 и Sempron). Запуск утилиты CPU-Z позволяет нам получить следующую информацию:

Стоит обратить внимание, что линейка двухъядерных процессоров Athlon X2 унаследовала от Athlon64 поддержку следующих технологий: функция энергосбережения Cool'n'Quiet, набор команд AMD64, SSE - SSE3, функцию защиты информации NX-bit.

Как и процессоры Athlon64, Двухъядерные Athlon X2 имеют двухканальный контроллер памяти DDR с максимальной пропускной способностью 6,4 Гб/с. И если для Athlon64 пропускной способности DDR400 было достаточно, то для процессора с двумя ядрами это потенциальное узкое место, которое негативно влияет на производительность. Впрочем, серьезного падения скорости не будет, поскольку поддержка многоядерности была учтена при разработке архитектуры Athlon64. В частности в процессоре Athlon X2 оба ядра находятся внутри одного кристалла; и при этом процессор имеет один контроллер памяти и один контроллер шины HyperTransport.

В любом случае, несоответствие пропускной способности памяти будет ликвидировано после перехода на Socket M2. Напомню, что это произойдет уже в этом году и соответствующие процессоры будут иметь контроллер памяти DDR-II.

Пара слов о совместимости новых процессоров Athlon X2. На всех последних протестированных материнских платах топовый процессор Х2 4800+ заработал без каких-либо проблем. Как правило это были платы на чипсетах nVidia nForce4 (Ultra & SLI), а также плата на чипсете ATI Xpress 200 CrossFire™ (ECS KA1 MVP Extreme). Когда же я установил этот процессор на плату Epox 9NDA3+ (nVidia nForce3 Ultra), то второе процессорное ядро операционной системой обнаружено не было. И прошивка последней версии биоса ситуацию не исправила. Но это частный случай, а в целом статистика совместимости двухъядерных процессоров с материнскими платами весьма и весьма положительна.

Тут же уместно будет отметить, что у новых двухъядерных процессоров нет каких либо специфических требований к дизайну модуля питания материнской платы. Более того, максимальное тепловыделение процессоров Athlon X2 не выше тепловыделения процессоров Athlon FX выпущенных по 130 нм техпроцессу (т.е. чуть выше 100Вт). В то же время, двухъядерные процессоры Intel потребляют энергии почти в полтора раза больше.

Пару слов скажем о разгоне.

Из всех процессоров AMD разблокированный множитель имеют только технические семплы и процессоры линейки FX. А двухъядерные Athlon X2, как и одноядерные Athlon 64 / Sempron имеют заблокированный в сторону увеличения множитель. А в сторону уменьшения множитель разблокирован, поскольку именно путем понижения множителя работает технология энергосбережения Cool'n'Quiet. А для разгона процессора нам бы хотелось иметь разблокированный множитель именно в сторону увеличения, для того что бы все остальные компоненты системы работали в штатном режиме. Но AMD пошла по стопам Intel и с определенного момента запретила разгон таким способом.

Впрочем, разгон путем повышения HTT еще никто не отменял и не запрещал. Но при этом нам придется подобрать качественную память, или использовать понижающий делитель частоты памяти. Кроме того, необходимо уменьшить множитель шины HT, что впрочем, не оказывает никакого влияния на уровень производительности.

Итак, используя воздушное охлаждение нам удалось разогнать процессор Athlon X2 4800+ с штатной частоты 2,4 Ггц до частоты 2,7 Ггц. При этом напряжение питания (Vcore) было увеличено с 1,4В до 1,55В.

Статистика разгона показывает, что данный экземпляр продемонстрировал не самый плохой прирост частоты. Однако на большее рассчитывать не приходится, поскольку самые "удачные" ядра AMD отбирает для производства процессоров с частотой 2,6Ггц и 2,8Ггц.

Двухъядерные процессоры Intel

Первые двухъядерные процессоры Intel были основаны на ядре Smithfield, которое является ничем иным, как двумя ядрами Prescott степпинга E0 объединенными на одном кристалле. Между собой ядра взаимодействуют через системную шину при помощи специального арбитра. Соответственно размер кристалла достиг 206 кв. мм., а количество транзисторов увеличилось до 230 миллионов.

Интересное рассмотреть как реализована технология HyperThreading в двухъядерных процессоров на ядре Smithfield. Так у процессоров Pentium D поддержка этой технологии полностью отсутствует. Маркетологи Intel посчитали, что два "реальных" ядра вполне достаточно для большинства пользователей. А вот в процессоре Pentium Extreme Edition 840 она включена, и благодаря этому процессор может исполнять 4 потока команд одновременно. Кстати, именно поддержка HyperThreading является единственным отличием процессора Pentium Extreme Edition от Pentium D. Все остальные функции и технологии полностью одинаковы. Среди них можно выделить поддержку набора команд EM64T, технологии энергосбережения EIST, C1E и TM2, а также функцию защиты информации NX-bit. В результате разница между процессорами Pentium D и Pentium EE является полностью искусственной.

Перечислим модели процессоров на ядре Smithfield. Это Pentium D с индексами 820, 830 и 840 а также Pentium Extreme Edition 840. Все они работают на частоте системной шины 200 МГц (800QPB), выпущены по 90нм техпроцессу, имеют штатное напряжение питания (Vcore) 1,25-1,388 В, максимальное тепловыделение ~130 Вт (хотя по некоторым оценкам тепловыделение EE 840 находится на уровне 180 Вт).

Честно говоря, каких-либо положительных сторон у процессоров на ядре Smithfield я не обнаружил. Основная претензия заключается в уровне производительности, когда во многих приложениях (которые не оптимизированы под многопоточность) двухъядерные процессоры Smithfield проигрывают одноядерным Prescott, работающих на той же тактовой частоте. При этом у процессоров AMD такой ситуации нет. Очевидно проблема кроется во взаимодействии ядер через процессорную шину (при разработке ядра Prescott не было предусмотрено масштабирование производительности путем увеличения количества ядер). Возможно именно по этой причине, компания Intel решила скомпенсировать недостатки более низкой ценой. В частности ценник на младшую модель Pentium D 820 был установлен на уровне ~260$ (самый дешевый Athlon X2 стоит 340 $).

Кстати, модель Pentium D 820 несовместима со всеми материнскими платами на чипсете nForce4 SLI Intel Edition (операционная система не видит второе ядро). Проблема кроется в самом чипсете и nVidia официально признала данный факт. Кроме того, в интернете встречались сообщения о несовместимости более старших моделей (но это были единичные случае с отдельными конфигурациями). Тут же отметим, что новый чипсет nForce4 SLI Х16 Intel Edition избавлен от этой проблемы.

Потенциал разгона у процессора на ядре Smithfield оказался не очень высоким. Стабильная работа системы сохранялась только при тактовой частоте не превышающей 3,25 ГГц.

Справедливости ради отметим, что данный процессор запускался на частоте 3,8 Ггц, и при использовании более эффективной системы охлаждения можно было бы достичь стабильной работы.

Забегая вперед отметим, что это все "цветочки" по сравнению с разгонным потенциалом 65нм процессоров.

Что касается совместимости, то процессоры на ядре Smithfield потенциально могут быть установлены в любую LGA775 материнскую плату. Однако эти процессоры имеют повышенные требования к модулю питания платы. Подводя итоги, можно сказать что процессоры на ядре Smithfield являются неудачным продуктом. Однако, разговор о двухъядерных процессорах Intel мы не заканчиваем, ибо под конец 2005 года компания успешно перешла на новейший 65нм техпроцесс, а в начале 2006 года на прилавках магазинов (по традиции впервые это случилось в Японии) появились первые процессоры на ядре Presler и Cedar Mill.

Что же дает новый, более "тонкий" техпроцесс? Если кардинально не менять архитектуру ядра, но новый техпроцесс позволяет уменьшить площадь ядра (т.е. увеличить количество процессоров на одной пластине, и тем самым снизить себестоимость), уменьшить энергопотребление (соответственно - тепловыделение) и повысить тактовые частоты. Впрочем, два последних параметра взаимосвязаны: если мы не увеличиваем частоту, то получаем процессор с меньшим тепловыделением. Если же не изменяем энергопотребление, то получаем процессоры с более высокими частотами.

Инженеры компании Intel выбрали именно второй путь - официальное тепловыделение осталось на уровне 130 Вт, что позволило увеличить тактовые частоты до значения 3,4 ГГц и 3,46 ГГц. Причем как показали наши опыты с разгоном, потенциал 65 нм техпроцессора очень велик, и по мере усовершенствования и оптимизации техпроцесса рост тактовых частот будет продолжен (вплоть до перехода на совершенно новую процессорную архитектуру).

Что касается процессорного ядра Presler, то подчеркнем те технические моменты, которые отличают их от ядра Smithfield. Самый главный факт - на одном ядре Presler размещены два ядра Cedar Mill, которое является ничем иным как ядром Prescott 2M выпущенным по 65нм техпроцессу (у ядра Smithfield два "обычных" ядра Prescott). Тем самым инженеры Intel воспользовались преимуществом 65 нм техпроцесса, который позволяет либо уменьшить площадь кристалла либо увеличить кол-во транзисторов.

Впрочем такое описание ядра Presler не совсем корректно. Дело в том, что под крышкой теплораспределителя можно обнаружить два отдельных процессорных ядра, тогда как Smithfield представлял собой единое ядро (хотя внутри существовало разделение между ядрами). Таким образом значительно улучшается эффективность производства: появляется возможность для производства одного 2х-ядерного процессора использовать ядра с разных участков пластины (или даже с разных пластин). Кроме того, из-за модульной архитектуры повышается уровень выхода годных кристаллов (причем условно "негодные" можно отмаркировать как процессоры Pentium D :).

Утилита CPU-Z предоставляет нам следующую информацию о процессоре:

Внешний вид процессора с лицевой стороны ничем не отличается от других LGA775 процессоров. А с обратной стороны есть различия в расположении элементов:

Слева-направо: Prescott 2M, Smithfield, Presler

Presler крупным планом:

Итак, новые двухъядерные процессоры на ядре Presler получили наименование Pentium D с индексами 920 - 950. Кроме того, был выпущен процессор Pentium Extreme Edition 955 с включенной технологией HyperThreading и работающий на частоте системной шины = 266 МГц (1066QPB). Для того, что бы читатель не запутался во всех представленных процессорах, мы сведем их характеристики в единую таблицу:

Несколько слов про совместимость новых процессоров с материнскими платами. Официально новые процессоры на ядре Presler с частотой шины 1066 МГц совместимы только с материнскими платами на новейшем чипсете i975X. Однако каких-либо принципиальных ограничений на работу с платами на других чипсетах с поддержкой такой шины (i945P, i955X и nForce4 SLI (x16) Intel Edition) нет. Главное, что бы модуль питания платы был рассчитан на соответствующие нагрузки, а версия биоса корректно распознавала новый процессор. В частности, мы без проблем запустили процессор Pentium Extreme Edition 955 на материнской платы Asus P5WD2 Premium, которая основана на чипсете i955X.

Что касается процессоров с частотой шины 800Мгц (ядра Presler и CedarMill) то в большинстве случаев они заработают на всех материнских платах поддерживающих эту шину.

Теперь поговорим о разгоне. Также как и у процессоров AMD, у процессоров производства Intel множитель заблокирован в сторону увеличения. Но на тестовом процессоре Pentium Extreme Edition 955 он оказался полностью разблокирован (от 12 до 60) что дало нам возможность оценить потенциал 65нм ядра без влияния остальных компонентов системы (прежде всего чипсета и памяти, которые работали в штатных режимах). Итак, без повышения напряжения ядра процессор с легкостью взял частоту 4,0 ГГц, а с незначительным увеличением Vcore процессор работал совершенно стабильно на частоте 4,26 ГГц.

А при увеличении напряжения до 1.4125В, процессору покорилась частота 4.55Ггц.

Но в этом случае нельзя было говорить о полной стабильности: некоторые тесты проходили отлично (их результаты приведены на сл. странице), а другие выдавали совершенно неправильные результаты (из-за сбоя системного таймера). При этом повышать напряжение на процессоре мы уже не могли (использовался воздушный кулер Gigabyte G-power), поскольку это приводило к троттлингу. Так что, потенциал в области разгона мы оцениваем на отлично, и владельцы систем водяного охлаждения смогут достичь 4,5Ггц (по сообщениям в интернете, владельцы криогенных систем достигли уже 5.5Ггц!).

Итак, предварительный вывод по процессорам на ядре Presler. Благодаря новому 65 нм техпроцессу, Intel смогла выпустить новое поколение двухъядерных процессоров, которые по всем техническим характеристиками (функциональность, скорость работы, тепловыделение) лучше процессоров на ядре Smithfield. И именно процессоры на ядре Presler смогут дать достойный отпор конкурентам в лице линейки Athlon X2. Но насколько изменилось соотношение сил, мы увидим на следующей странице, которая посвящена производительности.

Производительность

Итак, мы использовали следующие комплектующие:

Итак, в тестах использовался уже привычный набор приложений. Вначале посмотрим на результаты синтетических тестов.

Перед нами исключительно синтетические приложения, которые демонстрируют теоретическую производительность.

Теперь тесты игровых приложений.

кбс. больше - лучше

с. меньше - лучше

Некоторые комментарии к результатам тестов.

Во-первых, в список результатов мы включили показатели разогнанных процессоров, чтобы оценить масштабирование производительности с ростом тактовой частоты. Кроме того, наши читатели должны ориентироваться - на что можно рассчитывать покупая тот или иной процессор.

Теперь обратим внимание на игру Quake4 (основана на движке Doom3). При работе одного процессорного ядра, убедительную победу в этом тесте одерживают процессоры AMD. Однако не так давно, компания ID выпустила патч с поддержкой многопоточных вычислений. Однако эта заплатка оказалась несколько "сыроватой". В частности, при включении "r_useSMP 1" производительность на процессорах AMD заметно падала. Вторая проблема связана с тем, что на процессорах Intel с включенной технологией HyperThreading картинка практически пропадала. Однако, на процессоре P4 820 (который не поддерживает HT) и на процессоре Presler с отключенной HT (с помощью соответствующего параметра в биосе мат. платы) производительность увеличивалась довольно серьезно (на 50-60%).

Раз уж мы стали говорить о HyperThreading'e, то в очередной раз повторим, что при отключенной технологии HT уровень производительности системы в большинстве приложений заметно выше. Исключение составляют только те программы, которые имеют оптимизацию под многопоточность. В нашем списке это 3DMax и CineBench. В целом, это соответствует пропорции между приложениями с поддержкой и без поддержки многопоточности. Но в ближайшее время ситуация может кардинально измениться. Дело в том, что компании ATI и nVidia планируют внедрить поддержку многопоточности в драйвера для видеокарт. Более того, nVidia уже выпустила первую версию ForceWare, но как и любой первый блин, драйвера получились кривыми. Однако общая тенденция такова, что в 2006 году двухъядерные процессоры станут более востребованными, нежели одноядерные (последние, скорее всего, мигрируют в бюджетный сектор). А на сегодняшний день, из-за малого количества оптимизированных приложений, довольно трудно сделать вывод о выигрыше того или иного процессора.

Что касается производительности в приложениях без поддержки многопоточности, то здесь убедительную победу одерживают процессоры AMD. В частности, во всех представленных играх, модель Athlon 3500+ оказывается быстрее флагмана Intel - Pentium Extreme Edition 955. При этом, процессоры Athlon X2 с равной или более высокой частотой, работают быстрее модели 3500+.

Впрочем, в некоторых приложениях двухъядерные процессоры AMD работают медленнее. Например тест SpecViewPerf, в котором Athlon X2 полностью провалились и показали значительно меньшую производительность нежели модель 3500+.

Выводы

Знакомство с первым процессором Intel выпущенным по 65 нм техпроцессу оставило весьма и весьма положительные впечатления. Использование более тонкого техпроцесса позволило несколько уменьшить энергопотребление и увеличить тактовые частоты. Хватит ли этого для того, чтобы процессоры Pentium стали более привлекательными, чем конкуренты? Месяца два-три назад, мы бы твердо ответили "Нет". Но сейчас это очень сложный вопрос, поскольку за последнее время на российском рынке сильно подскочили цены на процессоры AMD, причем особо сильно - на младшие модели. Поэтому делать какие-либо выводы по одноядерным процессорам мы пока не будем (подождем появления в продаже процессоров CedarMill и посмотрим на их цены).

Что касается двухядерных процессоров, то в задачах оптимизированных под многопоточность самые высокие результаты показывает процессор Intel Extreme Edition 955, способный исполнять 4 потока команд одновременно. Нужно также отметить ту легкость, с которой этот процессор разгоняется - 4 ГГц при штатном напряжении и 4,26 при незначительном увеличении Vcore. Остальные 65 нм - процессоры CedarMill и Presler будут иметь такой же потенциал для разгона, с той лишь разницей, что множитель будет заблокирован в сторону увеличения.

Интересно отметить, что компания Dell воспользовалась преимуществами новых процессоров и выпустила компьютер XPS Renegade 600 в котором установлен "официально" разогнанный (очевидно с благославления Intel) процессор Extreme Edition 4,26.ГГц.

Если пользователь основную часть времени работает с оптимизированными приложениями, то здесь однозначного совета дать нельзя, ибо в ответ на выход Intel Extreme Edition 955 компания AMD выпустила двухъядерный процессор Athlon64 FX-60 с тактовой частотой 2,6 ГГц. Причем, в различных приложениях баланс сил между этими двумя процессорами будет разным (в зависимости от типа и степени оптимизации).

Что касается обычного пользователя "домашнего" компьютера, то в данном случае есть несколько советов. Если у пользователя уже установлена платформа Intel, то он может с минимальными затратами перейти на двухъядерный процессор . Если у пользователя установлена платформа AMD Socket 939, то мы пока не советуем переходить на двухъядерные процессоры. К примеру "апгрейд" с модели 3500+ на X2 3800+ приведет к тому, что потратив более 100$ вы получите более медленную систему. В любом случае, мы рекомендуем переходить на двухъядерные процессоры только тогда, когда в графические драйверы будет успешно(!) внедрена поддержка многопоточных вычислений.

И наконец, если "домашний" компьютер только планируется к приобретению, то исходя из сегодняшних цен, лучшим выбором будет модель AMD Athlon 64 3500+, которая более чем в два раза дешевле Pentium4 660.

А в том случае, когда пользователь "домашнего" компьютера решил покупать именно двухъядерный процессор, дать однозначный ответ нельзя, поскольку есть слишком много различных неизвестных (или частично неизвестных) факторов, связанных с темпом внедрения многопоточности в графические драйвера, а также общей тенденцией по оптимизации программного обеспечения для многоядерных систем.

P.S.

Хочу посоветовать при покупке любого из процессоров отказаться от "боксового" варианта. К самим кулерам внутри коробки нет никаких претензий, за исключением цены, которая как для Intel, так и для AMD находится в районе 30$. За эти деньги можно спокойно купить хороший кулер с тепловыми трубками, который будет работать тише и обеспечивать лучшую эффективность охлаждения.

P.P.S.

Все вопросы, замечания и пожелания можно и нужно задавать в конференции.