Прошедшая неделя была ознаменована сразу несколькими большими событиями, проливающими свет на будущее персональных компьютеров и индустрии в целом. Компания Microsoft познакомила разработчиков с перспективной версией своей операционной системы, Windows 8, которая должна стать единой программной средой для всех будущих компьютерных устройств. Intel на специальном мероприятии Intel Develper Forum рассказала о разрабатываемых в недрах компании продуктах и технологиях. А AMD пыталась привлечь к себе внимание публики, поочерёдно приоткрывая завесу тайны над процессорами Bulldozer и Trinity и над будущими графическими ускорителями семейства Southern Islands.

Всё это с разной степенью подробности освещалось в наших новостях, но одна тема заинтересовала нас немного больше. А именно: мы решили досконально разобраться в том, чем же будет выделяться следующее поколение интеловских процессоров Ivy Bridge, встреча с которым нас ожидает в первой половине 2012 года. Благо в рамках прошедшей сессии IDF этому вопросу было отведено немало внимания, и теперь мы располагаем достаточно подробной информаций, пришедшей «из первых рук».

Ivy Bridge в мобильном исполнении

Тема Ivy Bridge привлекательна для нас в первую очередь потому, что до сих пор про эту микроархитектуру были известны лишь какие-то отрывочные сведения, в то время как более близкие Bulldozer и Sandy Bridge-E «изъезжены» обозревателями вдоль и поперёк. Поэтому давайте мысленно перешагнём через воображаемый рубеж в несколько месяцев и посмотрим, чем нас собирается порадовать Intel в 2012 году.

Новый технологический процесс, но не только

Уже в течение пяти лет выход новых поколений процессоров у Intel происходит в соответствии со стратегией Tick-Tock («тик-так»). Суть это принципа заключается в том, что перевод производства на новый технологический процесс и внедрение усовершенствованных версий микроархитектуры происходит поочерёдно, примерно с двухгодичным периодом.

Таким образом, Ivy Bridge должен стать следующим «тиком», в рамках которого производственный процесс начнёт использовать 22-нм нормы. Надо сказать, что совершенствование техпроцесса в этот раз станет не совсем ординарным шагом, так как Intel планирует внедрить кардинальные изменения и в базовую структуру транзисторов. Традиционные планарные транзисторы, применявшиеся в полупроводниковых устройствах на протяжении многих лет, с переходом на 22-нм нормы производства будут заменены более совершенными транзисторами с трехмерной конструкцией (Tri-Gate).

Обновленная версия транзистора отличается использованием затвора в виде тонкой трехмерной кремниевой пластины, установленной перпендикулярно кремниевому субстрату. Прохождение тока в этом случае контролируется тремя затворами, расположенными на гранях пластины. Такое усовершенствование при минимальных геометрических размерах транзисторов обеспечивает максимальную величину тока во включенном состоянии и приближенную к нулю — в выключенном. В результате не только ускоряется переключение, но и уменьшаются паразитные токи утечки.

Практическим результатом усовершенствований в технологическом процессе может стать как повышение тактовых частот процессоров, так и беспрепятственное снижение их напряжения питания и соответствующее падение тепловыделения. Приведённый график говорит о том, что с вводом 22-нм техпроцесса Intel имеет возможность снизить рабочее напряжение на 0,2 В, но сохранить при этом достигнутые на данный момент тактовые частоты. И если бы будущие 22-нм процессоры использовали сегодняшнюю микроархитектуру Sandy Bridge, это бы означало примерно 37-процентное падение энергопотребления и тепловыделения.

Столь впечатляющее технологическое достижение фактически развязало руки разработчикам. Intel и так с переходом на новые производственные технологии редко воздерживалась от внесения изменений в микроархитектуру. Теперь же унимать полёт инженерной мысли и вовсе не было никакого резона. В результате Ivy Bridge станет не результатом перевода Sandy Bridge на новые «полупроводниковые рельсы», а процессором со значительно улучшенной микроархитектурой.

Вот так, собственными же стараниями Intel поставила под сомнение стратегию «тик-так». Правда, дабы сохранить лицо, представители компании стали применительно к Ivy Bridge оперировать термином «тик+», однако это лишь подчёркивает, что изначальная концепция дышит на ладан.

Говоря вкратце, изменений в Ivy Bridge стоит ждать по всем фронтам. Но ключевые улучшения, наиболее бросающиеся в глаза после знакомства с новой микроархитектурой, следующие:

• Новый 22-нм технологический процесс с использованием трёхмерных транзисторов уменьшит тепловыделение;
• Будет внедрён новый подход к управлению тепловыделением: конфигурируемый TDP;
• Графическое ядро Ivy Bridge получит существенно повышенную производительность и поддержку DirextX 11;
• В процессоре добавится встроенный аппаратный генератор случайных чисел и защита ОС от атак типа «повышение привилегий»;
• Контроллер памяти получит поддержку более скоростной и низковольтовой памяти.

При этом базовые принципы построения процессоров с микроархитектурой Ivy Bridge останутся такими же, как и у Sandy Bridge. Так же как и предшественники, они будут базироваться на едином полупроводниковом кристалле, включающем одновременно вычислительные и графическое ядра. Кеш третьего уровня сохранит модульную структуру и останется доступным для всех процессорных блоков. На своём месте в процессоре останутся интегрированные контроллеры памяти и шины PCI Express. А все перечисленные составные компоненты CPU будут объединяться в единое целое хорошо зарекомендовавшей себя кольцевой шиной.

Более того, с выходом Ivy Bridge компания Intel не планирует как-то изменять линейку продукции и даже божится сохранить их совместимость с существующей LGA1155-инфраструктурой.

Впрочем, при разговорах о совместимости делается важная ремарка. Ситуация с конкретными материнскими платами может зависеть от BIOS. Так что неприятные казусы с какими-то конкретными платформами всё-таки возможны.

Вместе с тем Intel собирается предложить для Ivy Bridge и новые наборы логики седьмой серии. Но цель их выпуска состоит не в том, чтобы снабдить процессоры собственной узкоспециализированной платформой, а в том, чтобы немного актуализировать платформу LGA1155 — добавить в неё врождённую поддержку USB 3.0 и дополнительную функциональность SATA-контроллера.

Впрочем, не будем слишком отклоняться от темы и сосредоточимся на том, что нам предложат именно процессоры следующего поколения.

Управление для тепловыделения

В том, что новый 22-нм технологический процесс с использованием трёхмерных транзисторов существенно поспособствует снижению тепловыделения перспективных процессоров, можно не сомневаться. Резюмируя запланированные изменения в микроархитектуре и в производственной технологии Ivy Bridge, представители Intel пообещали, что соотношение производительности и энергопотребления по сравнению с Sandy Bridge может почти удвоиться. Хорошей иллюстрацией ожидаемого прогресса может выступить тот факт, что микроархитектура Ivy Bridge позволит наладить выпуск четырёхъядерных мобильных процессоров с типичным тепловыделением в пределах 35 Вт.

Однако движет Intel на пути оптимизации удельной производительности в пересчёте на каждый ватт затраченной энергии не столько желание предложить пользователям мобильных компьютеров общеупотребительные модели с четырехъядерными процессорами, сколько стремление добиться широкого распространения продвигаемых компанией ультрабуков — нового типа мобильных компьютеров, которые должны объединить в себе плюсы планшетов и классических ноутбуков. Для этого класса устройств будет предложен широкий выбор недорогих двухъядерных процессоров Ivy Bridge с типичным тепловыделением 17 Вт.

Вообще, изменений, полезных именно при ультрабучной ориентации, в Ivy Bridge прослеживается немало. Например, именно с таким прицелом в контроллер памяти Ivy Bridge добавили дополнительную поддержку стандарта DDR3L — памяти с пониженным энергопотреблением, которая питается от напряжения 1,35 В. Причём речь идёт не столько об обеспечении более низких сигнальных напряжений, сколько об отключении питания от памяти в состояниях глубокого сна, что в конечном итоге должно положительно отразиться на времени работы будущих мобильных компьютеров от батареи.

Но, конечно, самая интересная и важная возможность Ivy Bridge с точки зрения управления тепловыделением и энергопотреблением — это конфигурируемый TDP.

В настоящее время каждая модель процессора Intel обладает чётко обозначенным уровнем TDP, в рамках которого процессор иногда может повышать тактовую частоту при работе технологии Turbo Boost. Будущие же процессоры поколения Ivy Bridge смогут иметь три значения TDP для каждой модели: минимальное, номинальное и максимальное. Это значит, что при наличии подходящих условий для эффективного охлаждения и при достаточном питании процессор получит возможность существенно повышать свою рабочую частоту, наплевав на ограничения по номинальному TDP, чего технология Turbo Boost в её нынешнем виде сделать не позволяет, так как она к уровню TDP жёстко привязана. Ну и наоборот — если по каким-то причинам нужно начать неистово экономить электроэнергию, то TDP для процессора можно будет перевести на более низкий уровень.

Технология эта нацеливается, естественно, под мобильные применения, где она имеет реальный смысл. Например, если мобильный компьютер работает от сети и комплектуется дополнительной охлаждающей подставкой (или док-станцией), TDP и, соответственно, тактовую частоту его процессора можно беспрепятственно повысить, за счёт чего добиться увеличения производительности. И наоборот, в каких-то ситуациях пользователь может захотеть обеспечить дополнительную экономию заряда батареи, и в этом случае TDP процессора имеет смысл уменьшить.

Конфигурируемое TDP никак не связано с Enhanced Intel SpeedStep и Turbo Boost в том смысле, что все три технологии способны работать одновременно. Коренные же различия между ними состоят в том, что Enhanced Intel SpeedStep и Turbo Boost используют автономные алгоритмы, а конфигурируемое TDP работает в ручном режиме. То есть за переключение уровней TDP будет отвечать либо сам пользователь, которому на корпус ноутбука будет выведен соответствующий переключатель, либо программное обеспечение, которое будет разрабатываться и поставляться производителем ноутбука. Intel предполагает также, что, используя описанное свойство Ivy Bridge, какие-то производители мобильных систем захотят предлагать продукты с изначально переконфигурированными под сниженное TDP процессорами.

В качестве конкретного примера CPU с конфигурируемым TDP представителями Intel описываются ULV-процессоры, ориентированные на использование в составе ультрабуков. Их номинальное типичное тепловыделение будет установлено в 17 Вт, но они будут иметь два дополнительных уровня TDP — увеличенный, равный 33 Вт, и уменьшенный — 13 Вт.

Кроме того, Intel замыслила реализовать и ещё одну хитрость, направленную на снижение тепловыделения и энергопотребления. Речь идёт об изменении привычных алгоритмов работы системного агента, активируемых в экономичном режиме. По замыслу разработчиков, процессор сможет обеспечить дополнительную экономию за счёт того, что все исполняемые потоки будут переноситься на минимальное количество активных вычислительных ядер. Благодаря этому возможность переключения в энергосберегающие состояния будет доступна для максимального количества ядер. Такой подход действительно имеет смысл, так как при обычной работе потоки распределяются по ядрам равномерно с целью улучшить отзывчивость системы.