Intel Penryn: первые 45 нм процессоры

Сегодня компания Intel впервые в истории полупроводниковой индустрии официально представила процессоры, выполненные с соблюдением норм 45 нм техпроцесса. Всего год прошёл с момента демонстрации Intel первых рабочих прототипов чипов 45 нм памяти SRAM, и вот новая веха: процессоры с рабочим именем Penryn, состоящие из сотен миллионов транзисторных "вентилей", выполненные по сложному и "деликатному" 45 нм технологическому процессу, где ширина затвора каждого транзистора составляет всего 35 нм. По традиции, анонс прототипов процессоров означает, что производственные линии теоретически готовы к массовому производству, остаётся лишь ряд верификационных мероприятий и доводка оборудования до оптимального процента выхода годных чипов. После этого – ближе к лету, начнётся производство следующего поколения многоядерных процессоров Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad и Xeon, их массовые поставки запланированы на второе полугодие 2007.

Планы Intel по развитию процессорных микроархитектур и поколений процессорных дизайнов

Сегодняшнее событие требуется рассмотреть со всех сторон сразу по нескольким причинам. Во-первых, 45-нм техпроцесс впервые применён на практике для выпуска столь сложных полупроводниковых изделий. Не обошлось без серьёзных изменений в технологии производства, применения совершенно новых инструментов и материалов почти на всех этапах. Во-вторых, переход на столь прецизионные нормы производства с очевидным изменением физико-химических свойств компонентов схемы потребовал от инженеров применения совершенно новых материалов и технологий для работы с подложкой, создания перехода транзисторов, их электродов и так далее – всё для достижения меньших токов утечек и более экономной работы чипа без снижения производительности на ватт затраченной энергии. И, наконец, в-третьих изменилась архитектура ядра процессоров с рабочим названием Penryn, хотя, они по-прежнему представляют собой представителей микроархитектуры Core (Merom). Здесь сразу же, чтобы не было путаницы между терминами, напомним, что поколения микроархитектур процессоров сменяют друг друга реже чем различные дизайны ядер (и даже реже чем новые техпроцессы). Например, микроархитектура NetBurst, пришедшая в 2000 году на замену микроархитектуре P6 (последние представители P6 – 0,18 мкм Coppermine, и финальный 0,13 мкм Tualatin в 2001 году), в разное время была представлена рядом разных дизайнов ядра: Willamette (2000 год, 0,18 мкм, 0,13 мкм), Northwood (2002 год, 0,13 мкм), Prescott/Smithfield (2004 год, 90 нм) и Cedar Mill/Presler (2006 год, 65 нм) – четыре поколения дизайна ядра и шесть лет на одной микроархитектуре! В то же время, представленная в 2003 году и параллельно развивавшаяся микроархитектура Banias также вместила в себя несколько поколений архитектур ядер – Banias (2003 год, 0,13 мкм), Dothan (2004 год, 90 нм) и Yonah (2006 год, 65 нм). Фактически, появление новых дизайнов ядра процессора можно рассматривать как постепенный процесс усовершенствования в рамках одной микроархитектуры, с добавлением новых функций, редизайном и масштабированием на новый техпроцесс. При этом получается, что у Intel, благодаря наличию двух основных научно-исследовательских центров по разработке процессоров – в Орегоне и Израиле, одновременно и параллельно развивается и совершенствуется как минимум две микроархитектуры, вбирая в себя весь лучший опыт коллег и избавляя от повторения ошибок. Современная микроархитектура Core, пришедшая в 2006 году на замену NetBurst и Banias, наряду с совершенно новыми инженерными идеями и технологиями унаследовала от каждой из предшественников самое лучшее. В результате первый же дизайн ядра с рабочим названием Merom (2006 год, 65 нм) на базе микроархитектуры Core оказался очень и очень удачным в плане производительности и экономичности. Нынешняя новинка, дизайн ядра с рабочим названием Penryn – не что иное как усовершенствованный дизайн Merom с одновременным переходом на 45-нм нормы производства. Семейство 45 нм чипов Penryn станет основой для новых Core 2-ядерных чипов Wolfdale и 4-ядерных чипов Yorkfield, идущих на замену сегодняшним 65 нм процессорам Core 2 Duo и Core 2 Quad соответственно. Соответственно, процессоры семейства Penryn лягут в основу нового поколения мобильной платформы Intel Centrino с кодовым названием Montevina. Новая мобильная платформа Montevina, которая ожидается в первом полугодии 2008, заменит собой версию Santa Rosa. Чтобы до конца разобраться в микроархитектурах процессоров Intel и выпускаемых в их рамках дизайнах процессорных ядер, позволим себе немножко заглянуть в будущее. Ожидается, что представленный сегодня дизайн Penryn с микроархитектурой Core продержится на рынке достаточно долго – возможно, до 2010 года, и не исключено, что процессоры с ядром Penryn будут выпускаться с соблюдением норм следующего, 32 нм техпроцесса. Пока что о новых вариантах дизайна ядер с микроархитектурой Core речи не идёт, поскольку в следующем, 2008 году, ожидается анонс совершенно новой микроархитектуры процессоров Intel – Nehalem, на базе которой будут представлены 45 нм процессоры с одноимённым дизайном Nehalem, а в последствии – ближе к 2009 году, чипы с обновлённым дизайном Nehalem-C. Дальнейшие прогнозы пока что весьма туманны, но если всё пойдёт по плану, ближе к 2010 году мы увидим первые прототипы чипов с совершенно новой микроархитектурой Gesher, а уж по какому техпроцессу они будут выпускаться – 32 нм или 25 нм, сейчас можно только гадать.

Особенности процессоров с архитектурой Penryn

Однако вернёмся к сегодняшним процессорам Penryn с микроархитектурой Core: согласно официальному заявлению представителей Intel, в настоящее время компания уже располагает пятью продуктами ранних степпингов для разных секторов рынка - из более пятнадцати чипов, планируемых к скорому выпуску по нормам 45 нм техпроцесса. По заявлению компании, чипы Penryn уже обкатываются в системах под Windows Vista, Mac OS X, Windows XP и Linux. В соответствии с практикой (а может быть, уже и традицией?), реализованной при выпуске первых чипов с микроархитектурой Core, семейство Penryn будет включать в себя процессоры для настольных и мобильных ПК, рабочих станций и систем корпоративного сектора. О технологических изменениях, коснувшихся производственного процесса и применяемых при этом материалов, мы поговорим чуть позже, а пока перечислим инновации, реализованные в архитектуре процессоров Penryn. К ним необходимо отнести увеличившееся количество транзисторов – более 410 млн. для двухъядерного дизайна (291 млн. транзисторов у 65 нм 2-ядерного Conroe) и более 820 млн. для четырёхъядерного Yorkfield, при уменьшившейся до 110 мм² площади кристалла (у Conroe - 143 мм²). Именно здесь просматривается сохранение закона Мура, согласно которому по-прежнему с периодичностью примерно раз в два года удваивается количество транзисторов, снижается удельная цена изготовления одного транзистора, увеличивается производительность, а в недалёком будущем – я уверен в этом, мы сможем говорить об удвоении количества процессорных ядер на кристалле, почему бы и нет. Наряду с этим семейство процессоров Penryn также будет поддерживать порядка 50 новых инструкций Intel SSE4, нацеленных на повышение возможностей и производительности при работе с мультимедийным контентом. Интересно в этой связи отметить, что поддержка ряда новых SSE инструкций была анонсировала ещё у процессоров Conroe, однако в рамках Fall IDF 2006 поддержка SSE4 была зарезервирована за следующим поколением микроархитектуры, Nehalem. Как указано в пресс-релизе, уже Penryn будет поддерживать новый набор инструкций Intel SSE4. Среди новых чипов также будут присутствовать варианты с объёмом кэша L2 до 12 Мб, а в целом всё семейство будет отличаться повышенной производительностью и расширенными возможностями управления режимами энергопотребления. По поводу энергопотребления новых 45 нм процессоров Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad и Xeon с ядром Penryn сейчас известно, что в целом TDP будет примерно соответствовать сегодняшним реалиям – около 35 Вт у чипов для ноутбуков, порядка 65 Вт у mainstream-чипов для настольных ПК, около 80 Вт - у 4-ядерных серверных процессоров и чипов для экстремальных геймеров, при увеличенной производительности.