Эволюция процессоров AMD К7-К12
На непостоянном рынке высоких технологий очень тяжело создать что-то долговечное. Зачастую сконструировать очень мощную базу для дальнейших улучшений практически нереально - либо конкуренты задавят, либо слишком много времени уйдет на разработку. Однако в конце 90-х годов у AMD получилось создать настолько мощную и перспективную архитектуру микропроцессора, что ее плоды мы вкушали до самого недавнего времени, вплоть до 2012 года, пока знамя легендарных наследников AMD К7/К8 - не перехватила весьма неоднозначная архитектура Bulldozer.
Место под солнцем
После того как в начале 90-х годов Intel выпустила на рынок процессоры Pentium, остальные производители х86- микропроцессоров (по большей части клонов продукции Intel) остались не у дел. Произошло это потому, что компания-гигант отказалась лицензировать ядро своего нового CPU сторонним лицам, впервые за долгое время сделав архитектуру собственного процессора полностью закрытой. Выхода из этой ситуации для AMD, Cyrix и еще нескольких более мелких компаний оставалось лишь два: либо продолжать выпускать модификации i486 с более высокой частотой, пытаясь закрепиться хотя бы на рынке Low-End решений, либо добровольно отходить от х86-архитектуры.
Тем временем руководство компании осознавало, что несмотря на некоторые успехи собственного Am486, продолжать выжимать соки из ядра конца 80-х бесполезно. Поэтому совет директоров AMD решает купить компанию NextGen, специализирующуюся на разработке альтернативных Pentium’y решений, обладающих равной (или чуть большей) производительностью. Взяв на вооружение уже фактически завершенный продукт, в 1995 году AMD начала продажи процессоров 5К86, которые стоили по тем временам очень недорого, но по скорости были близки к процессорам Pentium - как оказалось позже, только теоретически, поскольку в реальных приложениях из-за некоторых критических упущений первые ревизии 5К86 оказывались существенно медленнее продукции Intel.
Следующие партии суперскалярного CPU на базе улучшенного ядра Godot лишились большей части недостатков, но из-за провала первой партии на ассортимент продукции AMD покупатели смотрели с изрядной долей скептицизма.
Ситуацию серьезно изменили процессоры К6 и К6-2, представленные в качестве основных, более дешевых конкурентов Pentium MMX и Pentium II. Это поколение CPU базировалось на ядре Nx686, над которым NextGen трудилась перед самой своей продажей компании AMD. Все, что оставалось добавить в уже спроектированный макет - блок FPU, изначально отсутствующий в схемотехнике К6. К слову, «зеленые», на протяжении многих лет как раз и специализировались на разработке математических сопроцессоров, так что их опыт в сложившейся ситуации пришелся как нельзя кстати.
Прикрученный инженерами AMD математический сопроцессор вышел чересчур тривиальным, и в дальнейшем именно он оказался узким горлышком архитектуры К6 и К6-2. Появившиеся на рынке процессоры AMD хоть и могли тягаться с Intel Pentium II в повседневных офисных задачах, но существенно уступали ему в операциях с плавающей запятой. И, как назло, в первую очередь от этого страдали набирающие популярность 3D-игры с поддержкой программного ускорения, которые активно использовали мощь FPU для расчета трехмерных координат. Но рынок того времени не сходился клином на одних лишь игрушках, так что процессоры семейства К6 стали очень популярными среди домашних ПК, позволив AMD обеспечить неплохой прирост финансового капитала, а также закрепиться на рынке бюджетного и среднеценового сегмента.
AMD K7
Воспользовавшись небольшой передышкой и выкатив вот уже третью ревизию процессоров K6-III, AMD объявила о своих намерениях уже к концу 1999 года выпустить новое поколение CPU, базирующееся на абсолютно новой архитектуре, созданной совместными усилиями бывших инженеров NextGen и AMD. В ее основе лежали 10-стадийный блок ALU для работы с целыми числами и новый блок математического сопроцессора FPU с 15-стадийным конвейером, способным выполнять сразу несколько операций. Обновленная организация математического сопроцессора являлась существенным шагом вперед, поскольку аналогичный блок у К6 вообще не мог выполнять новую команду до окончания предыдущей. Кроме того, новое поколение процессоров К7 получило двунаправленную шину EV6 для связи с другими системными компонентами (память, северный и южный мост) лицензированную у DEC. Огромным преимуществом стал и весьма крупный объем кэш-памяти первого уровня, который составлял невероятные для 1999 года 128 Кбайт (для сравнения - у Pentium III, передовой разработки Intel того времени, кэш L1 занимал всего 32 Кбайт). Отойдя от древнего Socket 7, который был создан еще во времена первых Pentium-75, AMD решилась на весьма радикальный шаг по выпуску новой платформы Slot-A, которая полностью копировала схожий сокет Slot-1 у процессоров Pentium II. Главной причиной использования «слотового» сокета был архаичный 250-нм техпроцесс, по которому изготавливались все CPU того времени.
В рамках строго ограниченного транзисторного бюджета было попросту невозможно разместить емкий массив кэш-памяти L2 непосредственно в кристалле микрочипа. Поэтому кэш-память объемом 512 Кбайт размещалась в двух микросхемах на специальной плате-картридже, повторяя подобную конструкцию у Pentium II и первых Pentium III. Процессоры К7, названные Athlon, получились очень мощными: практически все недостатки, присущие К6, в них были устранены, что позволило не только достичь производительности Pentium III, но и зачастую превышать ее.
Меньше чем через год AMD объявила о выпуске 180-нм модификаций Athlon на базе ядра Thunderbird в исполнении Socket A (s462) с 256-килобайтным дампом кэш памяти L2, помещенным в кристалл процессора. Новые модели были способны работать на частотах от 650 МГц до 1400 МГц и за счет раскрытия частотного потенциала получили невероятный прирост скорости, обеспечивший им в среднем тот же уровень производительности, что был у самых дорогих моделей Pentium III. Уменьшенный размер кэша (с 512 Кбайт до 256 Кбайт) был компенсирован его возросшей частотой: теперь он функционировал на той же скорости, что и ядро процессора, а не на уполовиненной, как раньше. Таким образом, процессоры семейства Athlon подоспели как нельзя кстати, благодаря ним на рынке CPU появился действительно очень мощный, относительно недорогой и конкурентоспособный продукт, потеснивший весь модельный ряд Intel.
Но первый год нового тысячелетия принес и новую архитектуру Intel - уже в конце 2000 года начались продажи новой линейки процессоров Pentium 4. Эти CPU были ориентированы на очень высокие частоты, однако эффективность их «кукурузных мегагерц» значительно уступала эффективности предшественника и конкурирующих моделей Athlon. И все же пользователи продолжали измерять мощность CPU в мегагерцах, и, по их мнению, где таковых было больше, там и была выше скорость.
Компания AMD от подобной стратегии бесполезного наращивания тактовой частоты в ущерб эффективности конвейера отказалась, ведь ядро К7 было отлично сбалансировано и в большинстве тестов заметно опережало равночастотные модели Pentium 4. Но с хитростью Intel надо было что-то делать, а пользователей переманивать к себе, так что для более эффективного позиционирования своих моделей маркетинговый отдел AMD решил присвоить им так называемый «индекс производительности». Он предполагал присвоение индекса, обозначающего равенство между скоростью Athlon и тактовой частотой конкурирующих Pentium 4. К примеру, модель с индексом 2000+ хоть и работала на частоте 1.4 ГГц, по замыслу разработчиков демонстрировала схожий уровень скорости с Pentium 4 2000 МГц. Первыми пташками, использовавшими новую уловку, стали модернизированные Athlon ХР, научившиеся исполнять набор команд SSE, а также получившие новый механизм предвыборки данных. Процессорное ядро осталось без каких-либо изменений и перекочевало от оригинального Athlon за исключением более высокой тактовой частоты и увеличенного в некоторых флагманских моделях кэша L2.
Высокий спрос на продукцию AMD позволил поднять цены на многие модели флагманских процессоров, поставив их в один ряд с монструозными Pentium 4 Extreme Edition. Именно благодаря архитектуре К7, разработанной с нуля, у «зеленых» получилось покорить не только рынки недорогой, нишевой продукции, но и основательно закрепиться в сегменте дорогих и очень быстрых решений.
AMD К8 - расцвет AMD
Что остается делать, если уже имеющийся продукт отличается великолепными характеристиками? Правильно - нужно двигаться дальше и не упускать возможности уложить конкурента на обе лопатки. Инженеры AMD продолжили совершенствовать ядро К7, в скором времени представив на общее обозрение его новое воплощение, обвешанное весьма интересными нововведениями.
Во-первых, разработчики обновленного кристалла устранили самое слабое место в предыдущем дизайне ядра и добавили второй 64-битный контроллер для кэш-памяти, создав таким образом более быструю 128-битную шину.
Во-вторых, в кристалл процессора был интегрирован двухканальный контроллер DDR-памяти, который ускорял обмен данными между RAM и CPU, сводя задержки в работе к минимуму и обеспечивая высокую пропускную способность.
В-третьих, для связи процессора с остальными компонентами системы AMD ввела новую системную шину под названием HyperTransport, обеспечивающую гигантскую пропускную способность в 8 Гбит/с для связи процессора с остальными компонентами платформы.
Наконец, кэш-память L2 была увеличена до 1024 Кбайт, а в набор инструкций были добавлены SSE, SSE2, SSE3 и 3Dnow, существенно ускоряющие производительность в мультимедийных задачах.
Однако главным маркетинговым ходом стала поддержка 64-битной адресации памяти, что автоматически позволило считать новые процессоры AMD на базе К8 первыми х86- совместимыми 64-разрядными CPU. Изначально планировался поэтапный запуск процессоров на базе К8, в котором первыми моделями стали серверные Opteron, выпущенные в апреле 2003 года. Но спустя несколько месяцев AMD анонсировала модели и для настольного сегмента: Athlon 64 3200+ и Athlon FX-51. Процессор для рынка домашних систем, Athlon 64 3200+ в играх и архивации демонстрировал скорость в среднем на 10-15% большую, чем Pentium 4, работающий на 3200 МГц! При этом тактовая частота Athlon 64 составляла всего 2000 МГц, но, благодаря короткому 12-стадийному конвейеру и оптимизированной архитектуре, удавалось достичь столь впечатляющего результата. Единственные приложения, в которых новинка уступала продукции Intel, были программы, активно использующие кодирование мультимедийных данных - в них Pentium 4 оказывался заметно быстрее.
Спустя три года на базе той же архитектуры К8 AMD создает первый двухъядерный процессор Athlon 64 Х2, который практически ничем не отличался от одноядерных предшественников за исключением более высокой тактовой частоты. И в тот раз «зеленым» крупно повезло, их продукт вышел гораздо экономичнее, холоднее и быстрее конкурирующих Pentium D 8x0, которые представляли собой сдвоенный кристалл Pentium 4. В середине 2000-х инженеры AMD вовсю строили планы на будущее, планируя через год-полтора выпустить глобальное обновление существующей архитектуры под названием K8L, главной фишкой которой станет использование емкого дампа кэш-памяти L3, а также монолитного 4-ядерного дизайна.
В те времена ситуация на рынке складывалась очень положительно для AMD, которая, понимая превосходящую мощь своей продукции над конкурентом, устанавливала безумные ценники на флагманские настольные CPU, нередко переваливающие за $1000. Следующим весьма удачным рывком стал анонс платформы АМ2, которая должна была убить сразу двух зайцев - унифицировать процессорный сокет, сделав его единым (к началу 2006 года AMD выпускала процессоры для бюджетного S754, среднего S939 и S940, специально для энтузиастов), и добавить поддержку более быстрой DDR2-памяти. Но в привычный расклад дел вмешалась Intel - с помощью новой процессорной архитектуры Intel Core (ноги у которой росли от мобильного Pentium М и настольного Pentium III) ей удалось поставить крест практически на всем ряде флагманских процессоров AMD, совершив огромный рывок в плане производительности.
С середины 2006 года дела у «зеленых» пошли не так здорово, как они шли раньше - решения на базе Core 2 Duo отличались великолепными показателями быстродействия на дефолтных частотах, однако помимо этого они еще и отлично гнались, порой с легкостью перепрыгивая 3 ГГц рубеж. Процессоры AMD из-за 12-стадийного конвейера гнались значительно хуже, притом первое время стоили дороже, но существенно подешевели к концу того же года для более эффективной конкуренции с Intel.
Кульминация К10
Тем временем разработка K8L затягивалась. К концу 2006 года инженеры попросту не успевали. За время проектировки новая архитектура получила много изменений, благодаря которым планировалось достичь быстродействия процессоров Core 2, поэтому название архитектуры изменилось на AMD К10. Преданные фанаты AMD возлагали на нее огромные надежды - процессоры на ее основе должны были вернуть компании утерянные позиции на рынке Hi-End. Но чуда не случилось - анонсированные в конце 2007 года 4-ядерные процессоры Phenom, основанные на многообещающей архитектуре К10, получились в некоторых приложениях даже медленнее своих предшественников. Не помогли ни улучшенный 128-разрядный FPU, ни новая шина HyperTransport 3.0, ни кэш третьего уровня, ни даже монолитный 4-ядерный дизайн. Из-за спешки, а также в результате применения устаревшего 65-нм техпроцесса, новые CPU работали на пределе своих возможностей, едва ли достигая 3 ГГц. В то же время Core 2 Duo и Core 2 Quad даже на относительно скромных частотах оказывались быстрее конкурента. Кроме того, процессоры К10 получили некоторый дефект, возникший в результате просчетов схемотехники и вызывающий при определенных условиях крах операционной системы. Позже был выпущен специальный патч, устраняющий этот неприятный TLB-баг, однако по непонятным причинам общая производительность CPU снижалась на ужасающие 35%.
Все эти неудачи, происходящие на фоне не совсем гладкой ситуации на рынке 3D-графики, подвели AMD к краю пропасти - в конце 2007 года даже шли разговоры о том, что компания «зеленых» вскоре будет куплена третьими лицами. К счастью, этого не случилось, а инженеры, в панике осознавшие всю опасность ситуации, исправились уже к началу 2008, анонсировав процессоры Phenom II. Схематехнически это были все те же Phenom на базе К10 с небольшими, но очень важными изменениями: техпроцесс был переведен на современные 45-нм рельсы, что позволило сократить тепловыделение и повысить частотный потенциал новых микросхем. Также был увеличен объем кэш-памяти третьего уровня - в новых Phenom II он вырос до внушительных 6 Мбайт. Наконец, встроенный контроллер памяти был изменен и в новых моделях поддерживал работу с модулями стандарта DDR2 и DDR3, обеспечивая существенный прирост пропускной способности. Устранив ряд мелких недостатков первых Phenom, AMD со второй попытки смогла создать невероятно мощный процессор, готовый соперничать не только с Core 2 Quad, но и с более дорогим и современным на то время Core i7. Самое удивительное было в том, что Phenom II хоть и уступал флагманским процессорам линейки Core i7 9x0 в некоторых приложениях, зато существенно опережал их в играх, что для многих стало решающим фактором в выборе платформы. Новые CPU были выпущены как для старой платформы АМ2/АМ2+, так и для более новой АМ3 с поддержкой высокочастотной памяти DDR3, позволяя сделать апгрейд устаревшей системы с минимальными расходами.
Прощание
На протяжении очень долгого времени процессоры Phenom II оставались на рынке, конкурируя сначала с Core 2 Duo и Quad, а потом и с процессорами архитектуры Core второго поколения. К сожалению, К10 стала кульминацией десяти лет работы инженеров AMD. В сложившейся ситуации оставалось только одно - отправить эту знаменитую архитектуру на покой, практически сразу после анонса шестиядерного Phenom II Х6, и заняться разработкой новой, более производительной и перспективной базы на следующие несколько лет. Этой базой стала микроархитектура Bulldozer, изначально ориентированная на серверный рынок, но нашедшая воплощение и в настольном сегменте.
Параллельно с ней AMD выпустила свои первые APU линейки Llano со встроенным GPU и архитектурой процессорного ядра К12. К сожалению, никаких новшеств, помимо увеличившегося объема кэш-памяти L2 с 512 до 1024 Кбайт на ядро, она не принесла. Что-то улучшать и дополнять в ней было уже бесполезно, прирост скорости в любом случае оказывался минимальным. Косметические улучшения и 32-нм техпроцесс позволили наладить массовое производство недорогих и очень быстрых 4-ядерных процессоров для мобильного и настольного рынка.
Таким образом, в 2012 году, после тринадцати лет развития и улучшения основ архитектуры, заложенных в К7, эволюция Athlon и Phenom была остановлена - впереди у AMD кропотливая работа по доработке, улучшению и дальнейшему развитию наследия Bulldozer. И пусть первый блин в виде AMD FX получился комом, нужно верить в лучшее - судя по прошлым событиям, у AMD редко получается удивить с первого раза. Если команда инженеров проявит не меньше энтузиазма, чем при разработке К7, и продолжит активную модификацию, оптимизацию и улучшение Bulldozer, возможно, через пару лет мы вновь станем свидетелями возвышения AMD и ее флагманских CPU на рынке Hi-End решений.
Автор: Морозов Роман
А потом грянул Райзен…
*** |
