Architektura Intel Nehalem - co přinese nového?

Řízení spotřeby

Jak je již uvedeno v úvodu, jeden z hlavních pilířů návrhu architektury Intel Nehalem je efektivní využití elektrické energie a "křemíku". K úspoře elektrické energie se používá řada technik, jako například technologie ESS (Enhanced SpeedStep) nebo CnQ (jako Cool'n'Quiet u AMD), kde dochází ke snižování taktu a použitého napájecího napětí. Na úrovni jádra je ale již dávno používána řada dalších techik, jako je Clock Gating (vypínání neaktivních oblastí procesoru).

Novinkou u Nehalemu je Power Gating. Myšlenka je zde taková, že část procesoru, která aktuálně nic nedělá, by také neměla spotřebovávat elektrickou energii. Power Gate umožnuje efektivně ze systému zcela odpojit neaktivní jádro, a dále tak snížit spotřebu. Intel tento režim označuje C6, a ten je zcela transparentní pro platformu a operační systém.
Pro efektivnější správu spotřeby a pro snadné využití technologie "Turbo Mode" byl do Nehalemu přidán mikrokontrolér, Intelem označovaný PCU (Power Control Unit). Nehalem obsahuje řadu senzorů pro zjištění teploty jádra, napětí a proudu a také spotřeby - to poskytuje data pro efektivnější řízení spotřeby, případně použití zmiňovaného turbo módu. Protože by ale bylo složité PCU dělat jen na úrovni hardware v procesoru, vyřešil to speciální mikrokontrolér.

Nehalem je díky PCU, což můžeme volně přeložit jako "řídící jednotka spotřeby", schopen velice sofistikovaně řídit dle potřeby napájecí napětí a frekvenci jednotlivých jader. To má poskytovat optimální výkon a udržet spotřebu při zemi. PCU je řízen pomocí firmware (takže lze jeho chování dále ovlivnit) a obsahuje přibližně milión tranzistorů (což z něj dělá složitější čip, než byl původně Intel 486).
Další změnou je také lepší odstupňování snižování napětí a frekvence procesoru pro snížení teploty jádra. Zatímco procesory s architekturou Core sníží napětí a frekvenci na nejnižší možnou úroveň, Bloomfield je schopen tuto změnu jemně krokovat, a nedochází proto k tak výrazným propadům výkonu.

Intel Nehalem a "Turbo Mode"

Kromě efektivnějšího řízení spotřeby a možného vypínání jader, se k tématu váže i další technologie, kterou Nehalem bude disponovat - tak zvaný "Turbo mode". Pamětníci jistě vzpomenou na časy "turbo" tlačítka, které před dávnými časy dělalo velice pomalý počítač jen pomalým. Dnes je tato technologie v režii procesoru a oficiálně se nazývá Intel Dynamic Speed Technology - bude umožnovat dle potřeby přetaktovat procesor, respektive zatížené jádro, nad nominální frekvenci.

Základní frekvence, ze které je odvozen výsledný takt procesoru (a který u Core architektury představovala FSB), je u Nehalemu 133 MHz. Z této frekvence vychází možné frekvence Core i7 v souvislosti s turbo mode při zatížení, v rámci limitů TDP, a proto může jádro zvýšit svůj takt nad nominální frekvenci. Přetaktování je možné o 1 - 2 stupně, po 133 MHz krocích, to znamená o 133 až 266 MHz nad základní frekvenci. Podle úvodních taktů Nehalemu 2,66, 2,93 a 3,2 GHz se jedná pouze o drobné navýšení frekvence, a proto od turbo módu nelze čekat zázraky. Každopádně i v případě drobného navýšení frekvence v kombinaci s efektivním řízením spotřeby a možným vypnutím nevyužívaného jádra se jedná o krok kupředu a zlepšení "zadarmo".
Kromě výše zmíněných technologií Nehalem používá 45nm výrobní technologii s High-k a technologií kovových hradel, stejně jako předešlá architektura Intel Core, respektive jádro Penryn. Novinkou je použítí 9. vrstvy měděných mezispojů pro co největší snížení odporu. Technologie Power Gate slouží pro efektivní oddělení a možné vypnutí jádra a snížení spotřeby.
Jak dalece se tyto úpravy projeví v praxi, zatím můžeme pouze spekulovat. Ronan Singhal, vedoucí architekt Nehalemu, již také potvrdil osmijádrovou variantu tohoto procesoru. Nehalem s osmi jádry bude uveden v druhé polovině příštího roku pro serverový segment trhu a pracovní stanice. Kromě osmi jader přinese masivní L3 cache o velikosti až 16 / 24 MB, ale také podstatně nižší takty než Bloomfield. TDP se i přesto zřejmě vyšplhá na poměrně monstrózních 150 wattů. Příští rok se také dočkáme Nehalemu vyrobeného 32nm výrobní technologii s jádrem Westmere. Dle Tic-Toc strategie se bude jednat o architekturu Nehalem s řadou menších vylepšení, včetně zlepšení podpory a výkonu virtualizace. Stejně jako v případě jádra Penryn dojde ke snížení spotřeby a zmenšení čipu - jak již opakovaně zaznělo, jádro Nehalem má poměrně velké rozměry, takže "die-shrink" bude ideální krok pro dopilování architektury. Další generace procesorů Sandy Bridge přinese opět novou architekturu, ale to už je poměrně daleko a dostáváme se od zlomové architektury Intel Nehalem.

Pojďme se podívat na rozdělení trhu s procesory s architekturou Nehalem a co nám tato generace procesorů přinese...