Микроархитектура Haswell: экономика должна быть мобильной

Haswell было кодовым названием процессорной микроархитектуры четвертого поколения процессоров Intel Core. В планах корпорации Intel ее появление было запланировано на 2013 год. И вот это время наступило!

Haswell было кодовым названием процессорной микроархитектуры четвертого поколения процессоров Intel Core. В планах корпорации Intel ее появление было запланировано на 2013 год. И вот это время наступило!

Особенности микроархитектуры Haswell

Появление микроархитектуры Haswell означило явственный поворот корпорации Intel к мобильным системам, а именно: ультрабукам и планшетам. Об этом говорит хотя бы такой один, но весьма многозначительный факт: если микроархитектуры Sandy Bridge и Ivy Bridge имели целевое энергопотребление 35–45 Вт, то для Haswell инженеры Intel выбрали "разбежку" в энергопотреблении равную 15—20 Вт. Как говорится, разница видна невооруженным глазом, так что скоро мобильным устройствам с процессором Atom внутри, придется потесниться на своем воображаемом троне. В тоже время, внимательно всматриваясь в спецификацию микроархитектуры Haswell, ловишь себя на мысли, что видишь перед собой предшественника — микроархитектуру Ivy Bridge. Т.е. инженеры Intel пошли экстенсивным путем и не стали ломать то, что и без того зарекомендовало себя с лучшей стороны. Так, Haswell унаследовал большинство функциональных блоков и принципы их объединения, а также такие успешные технологии, как кольцевая шина, турборежим и Hyper-Threading. Даже исполнительный конвейер поменялся не так заметно, и его протяженность у Haswell составляет уже виденные ранее 14–19 ступеней. А вот внутренних, глубинных изменений у Haswell более чем предостаточно. Это, в первую очередь, касается снижения энергопотребления. Предполагается, что системы на основе Haswell смогут работать от батареи где-то на 50% дольше аналогичных конфигураций, созданных на базе Ivy Bridge. В состоянии готовности при сохранении сетевых соединений (connected standby) общее потребление платформы, если сравнивать с решениями на основе Sandy Bridge, уменьшилось приблизительно в 20 раз. Ну а в простое выигрыш Haswell по сравнению с процессорами предыдущего поколения — 2–3-кратный. Таких впечатляющих результатов помогло добиться, в частности, объединение под одной "крышей" процессорного кристалла и существенной части схемы преобразователя питания. Кроме того, для ультрамобильных решений создан специализированный SoC-вариант процессора, имеющий на одной подложке набор системной логики. Еще же в Haswell внедрили новый набор ACPI-состояний сна S0ix, когда "дремать" заставляют все составляющие платформы кроме системной памяти, однако время пробуждения не превышает считанные миллисекунды. Добавлены также новые состояния простоя процессора C7.

Еще мы обратили внимаение на то, что у Haswell появились новые зоны, работающие на различных частотах. У Ivy Bridge таких зон было две, а именно: графическое ядро и вычислительные ядра (включая кеш и системный агент). В результате зона Uncore, объединяющая системный агент и кеш 3 уровня, получила собственную независимую частоту. Это значит, что асинхронная работа Uncore и вычислительных ядер приводит к большей латентности кеша третьего уровня, чем у процессоров предыдущего поколения, что хорошо для экономичности, но не всегда хорошо для призводительности. Однако любителям "быстрее и мощнее" не стоит сильно волноваться. Ведь инженеры Intel внедрили такие полезные новые инструкции, как AVX2 (Advanced Vector Instructions). AVX2, как и его предшественник SSE, предлагает решение проблемы векторизации. Среди нововведений у новых инструкций отметим:

• FMA (Fused Multiply-Add) — одна инструкция выполняет несколько операций над упакованными данными.
• AVX-способности распространились на целочисленные типы и операции с ними.
• Появились инструкции, позволяющие делать GATHER тип операций; при таких операциях не требуется, чтобы данные находились в непрерывных участках памяти.
• Добавлены специализированные инструкции по манипуляции битов.

Кроме поддержки AVX2, микроархитектура Haswell получила аппаратный генератор случайных чисел (RNG), который может использоваться для создания криптографических ключей в целях шифрования данных. Ну а чтобы работа с инструкциями AVX2 шла на полной мощности и без задержек, в Haswell увеличили скорость работы кеш-памяти. Исходили из того, что новые интсрукции работают в 2 раза быстрее старых, соответственно была увеличена и пропускная способность кеш-памяти первого и второго уровней. В итоге кеш первого уровня Haswell может отрабатывать два 32-байтных чтения и одну 32-байтную запись за такт. Кеш второго уровня способен принимать и отдавать за такт по 64 байта данных. А вот кеш третьего уровня не улучшили, хотя и заставили, как писалось выше, работать на собственной частоте и при этом асинхронно с вычислительными ядрами. Таким образом, у кеша третьего уровня осталось 32 байт данных за такт.

Напоследок, расскажем об интегрированном графическом ядре Haswell. Оно занимает на площади кристалла почти 30%. Основным преимуществом нового ядра перед старым является то, что количество исполнительных устройств в нем может достигать цифры 40. Для сравнения, максимальная версия графики Ivy Bridge имела всего-то 16 исполнительных устройств. Более того, инженеры Intel разошлись не на шутку и создали сразу четыре варианта графики: GT1, GT2, GT3 и GT3e. Первый — это урезанный вариант с 6 исполнительными устройствами. Второй называется базовым и включает набор из 20 исполнительных устройств. Нетрудно подсчитать, что уже базовая графика Haswell превосходить максимальную версию графики Ivy Bridge. GT2 предназначен для подавляющей части десктопных моделей процессоров. Вариант GT3 обладает 40 исполнительными устройствами; его предполагается использовать в большинстве мобильных вариантов Haswell, включая ультрабуки. Наконец, вариант GT3e предназначается для игрового мобильного сектора, отчего будет включать шуструю eDRAM-память объемом 128 Мбайт и 512-битную шину. Обновлен и аппаратный видеокодер Quick Sync, встроенный в графическое ядро. Теперь Haswell на аппаратном уровне сможет декодировать MJPEG (motion JPEG), кодировать видео в формате MPEG2, а также работать со Scalable Video Coding. При кодировании и декодировании обеспечена полноценная совместимость с видео в разрешении 4K (4096 x 2304, 4096 x 2160 и 3840 x 2160 пикселей).

Таким образом, в лице микроархитектуры Haswell мы получили экстенсивную версию предшественника Ivy Bridge. Основные усилия Intel были приложены к получению минимальной энергозатратности и внедрению новых инструкций, способных увеличить производительность как при обработке данных, так и при декодировании/кодировании видео. Микроархитектура Haswell как нельзя кстати подоспела к буму на планшеты, ультрабуки и ноутбуки-трансформеры, где уже прочно заняла свое место ОС Windows 8, которую можно назвать самой экономной из семейства Windows. Однако и владельцам десктопов не стоит унывать, микроархитектура Haswell будет выпущена в разных версиях, включая как мобильную и встраиваемую, так и настольную.