Будущее энергоэффективных микроархитектур Intel туманно
Отмена выпуска семейств микросхем SoFIA и Broxton для смартфонов не значит, что компания Intel также отказывается от производства систем на кристалле (system-on-chip, SoC) для других устройств с малым энергопотреблением. Но отказ от выпуска нескольких важных товаров на поздней стадии значит, что в фирме пересмотрят будущее как микропроцессоров Atom, так и, может быть, микроархитектур.
Незначительно истории
Компания Intel начала разработку своих энергоэффективных микроархитектур и «маленьких» ядер в 2004 году. Основной задачей, которая ставилась при разработке первой микроархитектуры Atom — Bonnell — была разработка x86-совместимого ядра, которое бы отличалось сверхмалым энергопотреблением и маленькими размерами кристалла. Схожее ядро могло бы быть встроено в мультиядерные микропроцессоры для параллельных вычислений либо же применено для обеспечение запуска приложений под Microsoft Windows (тогда доминирующую операционную систему) на сверхпортативных устройствах, таких как планшеты.
Intel Atom первого поколения
В 2008 году Intel представила 1-ые микропроцессоры семейства Atom, известные как Silverthorne. Чтоб максимально понизить энергопотребление вычислительных ядер, инженеры Intel отказались от внеочередного выполнения инструкций (out-of-order execution, OOO) в пользу поочередного выполнения инструкций (in-order execution, IO), 64-разрядности и ряду других вещей, которые к тому времени стали стандартными для CPU. Все же, будучи изготовленными по технологии 45 нм, Atom первого поколения имели размер ядра 25 мм2, энергопотребление около 2,5 Вт и могли запускать Microsoft Windows. Хотя потребление самих микропроцессоров Atom было минимальным, даже самый экономичный набор логики для их — US15W — имел энергопотребление 2,3 Вт, а потому использование платформы для мобильников было исключено. Чуть позднее в том же году был представлен двухъядерный 64-разрядный Diamondville для настольных ПК с рассеиваемой термический мощностью (TDP) 8 Вт. С ним были совместимы более массивные наборы логики, применимые для ПК, к примеру, композиция из северного моста Intel 945GSE Express и южного моста 82801GBM (I/O контроллер), которая потребляла 10 Вт. Кроме этого, предлагался Intel 945GC Express с TDP в 22 Вт.
Очень высокое энергопотребление US15W и др. было следствием стратегии Intel в области производства наборов логики тех пор, данная микросхема выполнялась по технологии 130 нм. Так как для производства CPU применялись передовые технологические процессы, чтоб обеспечить наивысшую производительность (в случае с Atom — меньшее энергопотребление), чипсеты выполнялись с помощью устаревших техпроцессов (кстати, это одна из причин, почему графические ядра в наборах логики Intel всегда имели очень низкую производительность — их транзисторный бюджет всегда был ограничен, а площадь на ядре выделялась по остаточному принципу). Схожий подход не был неувязкой для настольных ПК и даже для ноутбуков, но был неприемлемым для устройств со сверхмалым энергопотреблением.
Intel Atom второго поколения
Стремясь максимально понизить потребление платформы Atom, Intel встроила контроллер памяти и графическое ядро конкретно в микропроцессоры Atom второго поколения (Pineview для ПК и Lincroft для планшетов), сократив количество микросхем до 2-ух. Это увеличило энергопотребление самих CPU до 1,3–5,5 Вт, тогда как совместимые с ними I/O контроллеры NM10 и SM35 потребляли 2,1 и 0,75 Вт соответственно. Все же, понижение энергопотребление в сравнении с решениями на базе Intel 945 Express было налицо. Видя, что Atom пользуются спросом сначала у производителей ноутбуков, более продвинутые варианты Pineview получили два процессорных ядра, 64-разрядность, большие тактовые частоты и TDP в 10–13 Вт.
Перевод Atom на технологический процесс 32 нм во 2-ой половине 2011 года позволил Intel сделать свою первую платформу для смартфонов (Medfield/Penwell), также представить третье поколение микропроцессоров Atom (Cedarview) для ПК. Данные микросхемы имели два ядра и относительно большие тактовые частоты (1,6–2,13 ГГц), но при всем этом потребляли от 3,5 до 10 Вт энергии, давая понять, что текущая IO-микроархитектура (Saltwell, 32-нм версия Bonnell) чуть ли может отлично масштабироваться в плане производительности на ватт.
Silvermont и новые способности
Для роста производительности, но при сохранении низкого энергопотребления Intel представила Silvermont в 2013 году. Данная микроархитектура получила не только лишь внеочередное выполнение инструкций, но и массу современных способностей в области производительности (SSE4.1) и безопасности (AES-NI), что открыло для неё двери на рынок серверов и относительно производительных ПК. Но архитектура, поддерживающая внеочередное выполнение инструкций, постоянно ведёт к повышению размеров ядра и энергопотреблению. Чтоб этого гарантированно избежать, Intel не стала вводить в Silvermont поддержку Hyper-Threading и решила не наращивать количество параллельно выбираемых и декодируемых инструкций. Как и в случае Bonnel/Saltwell, Silvermont умеет выбирать и исполнять две аннотации за такт (для сопоставления, Haswell умеет исполнять 4–5 инструкций за такт (с учётом MacroFusion), а разработанные при участии знаменитого Джима Келлера (Jim Keller) Apple Cyclone, Twister и Typhoon — 6).
Intel Atom Avoton
Благодаря тому, что Intel имеет существенное преимущество перед другими производителями в виде собственных фабрик и лучших в промышленности технологических процессов, переход к OOO-архитектуре (поточнее, добавление соответственной логики) не только лишь не привёл к повышению энергопотребления, но и дал возможность понизить его у микропроцессоров для телефонов/планшетов. На самом деле, именно с Silvermont у эконом ядер Intel появилось новое назначение: мобильники. Ни Bonnell, ни Saltwell под эти устройства не проектировались.
Более того, по заверениям Intel, применение 14-нм технологического процесса позволило бы увеличить производительность в случае с микроархитектурами Airmont и Goldmont. К огорчению, компания не показывает на определенные улучшения Airmont и Goldmont, но беря во внимание тот факт, что обе базируются на Silvermont, принципиальная архитектура осталась прежней: ядро может декодировать две аннотации за такт.
Области внедрения Intel Silvermont
Именно благодаря Silvermont области внедрения эконом микроархитектур Intel значительно расширились. Кроме клиентских SoC, энергоэффективные ядра используются для разных чипов встраиваемых систем, микропроцессоров для микросерверов, также суперкомпьютерных ускорителей Xeon Phi.
Системы на кристалле для серверов имеют большое количество ядер (до восьми в текущем поколении), поддерживают разные технологии, которых нет в SoC для клиентских ПК (ECC, виртуализация, криптографический ускоритель QuickAssist и т. д.), также содержат в себе большое количество разных интерфейсов ввода/вывода. Основными преимуществами использования микроархитектур вроде Silvermont и Airmont для таких микросхем является как относительно низкое энергопотребление, так и меньшие размеры самих ядер, что очень принципиально при разработке многоядерных конфигураций для микросерверов.
Ближайшие планы
Чуть позднее в этом г. Intel собирается выпустить новые SoC для планшетов, дешёвых ноутбуков, гибридных ПК, также дешевых настольных ПК. Платформы Apollo Lake и Willow Trail будут базироваться на микроархитектуре Goldmont и графических ядрах девятого поколения. Новые системы на кристалле сумеют похвастаться увеличенной производительностью, также способностью кодировать и декодировать видео (с разрешением до 3840 × 2160 точек) с помощью кодеков HEVC и VP-9, что позволит сберегать заряд батареи во время просмотра высококачественных видео на YouTube.
Платформа Intel Apollo Lake
Что касается рынка микросерверов, то для их Intel готовит новое семейство микропроцессоров Atom C3000 (Denverton). Как говорят слухи, Denverton будет иметь очень впечатляющие свойства: 16 ядер Goldmont, 16 Мбайт кеша второго уровня (по 2 Мбайт на пару ядер), контроллер PCI Express 3.0 x16, четыре порта 10Gb Ethernet, USB 3.0, Serial ATA и поддержка до 128 Гбайт памяти типа DDR4-2400. Будучи изготовленным по 14-нм технологическому процессу, данная микросхема обещает быть очень экономной, что позитивно скажется на способностях соперничать с подобными решениями на базе ARMv8.
Если будущее Intel на рынке мобильников достаточно разумеется, а ближайшие планы в области планшетов ясны, то будущее самой платформы Atom, также энергоэффективных микроархитектур находится под вопросом. Так, Intel не анонсировала каких-то микроархитектур после Goldmont. Также ничего не известно и про наследников платформ Apollo Lake и Willow Trail. Это не значит, что их нет, но отсутствие информации говорит о том, что компания или не готова принять на себя обязательства по выпуску определённого семейства товаров, или всё еще работает над его чертами.
А необходимы ли энергоэффективные ядра?
Беря во внимание вырастающую параллельность выполнения инструкций у высокопроизводительных микроархитектур Intel (Haswell, Broadwell, Skylake, Kaby Lake), также их снижающееся энергопотребление и размеры, для очень многих задач они могли бы поменять экономные микроархитектуры (Silvermont, Airmont, Goldmont).
Система на кристалле Intel Atom
Например, двухъядерные микропроцессоры Skylake-Y (Core M-6Yxx) имеют TDP около 4,5 Вт, тогда как SDP (scenario design power) четырёхъядерного Cherry Trail (Atom x5-8300/x5-8500/x7/8700) составляет всего 2 Вт. Следует держать в голове, что Cherry Trail — настоящая система на кристалле и состоит всего из одной 14-нм микросхемы. В то же время, Skylake-Y (2+GT2) состоит из 2-ух микросхем: микропроцессора, который делается с использованием 14-нм литографии, и набора логики Intel 100-серии, который изготовляется по технологическому процессу 22 нм. Компания Intel не открывает SDP для каждого из кристаллов, но так как это один продукт, указывается общий наибольший SDP. Хотя низкое SDP позволяет использовать Skylake-Y в планшетах, а массивные x86-ядра и графический микропроцессор с 24 вычислительными микропроцессорами (execution units, EUs) означают высокую производительность, энергопотребление решения на базе Airmont вдвое ниже. Тяжело сказать, как ядра Skylake потребляют больше энергии в сравнении с Airmont, но разумеется, что разница существует.
Кроме этого, Cherry Trail должен быть дешевле Skylake-Y. По некоторым оценкам, размер четырёхъядерного кристалла Cherry Trail составляет около 85 мм2, тогда как размер кристалла двухъядерного Skylake-Y (2+GT2) — приблизительно 100 мм2. При всем этом последний просит чипа-компаньона, что дополнительно наращивает его стоимость.
Intel Xeon D
Может быть, размеры, чуть более высокий SDP и стоимость не настолько важны для дорогих планшетов либо систем 2-в-1. Но для серверных SoC, где количество ядер критично, а размеры кристалла оказывают влияние на конечную стоимость, маленькие размеры ядер могут стать преимуществом. Впрочем, беря во внимание тот факт, что Intel не обновляла модельный ряд серверных Atom с 2013 года, а не так давно выпустила Xeon D c 16 ядрами Broadwell для рынка микросерверов, в фирме отдают ценность высокопроизводительным решениям. Это разумно, так как производительность ядер вроде Silvermont для однопоточных задач достаточно мала, что значит повышение задержек при обработке данных, а это заметно понижает энергоэффективность самих серверов (пока микропроцессор обрабатывает задачу, сервер держит включёнными другие составляющие системы, растрачивая энергию), увеличивая стоимость владения центром обработки данных.
Все же, в официальных планах Intel числится серверный SoC под названием Atom C3000 (Denverton), который должен появиться во 2-ой половине года. Denverton задерживался уже как минимум 1 раз, что говорит о том, что ценности Intel на рынке ЦОД сосредоточены на высокопроизводительных решениях, а не на микросерверах, чьи достоинства почти во всем есть только на бумаге. Все же, 16 ядер общего предназначения и обеспеченный набор способностей ввода/вывода должны посодействовать ему соперничать с различными SoC на базе ARMv8, имея бесспорный козырь: совместимость с x86.
Intel Xeon Phi поколения Knights Landing
Более того, выходящий скоро Xeon Phi (Knights Landing) базируется на 72 ядрах на базе Silvermont (с очень существенными доработками, которые дадут возможность исполнять 512-разрядные аннотации AVX, добавят четырёхпоточный Hyper-Threading, увеличат пропускную способность кешей и т. д.). При всем этом Intel утверждает, что это настоящие ядра, которые способны запускать операционные системы. Другими словами, суперкомпьютерам на базе схожих Xeon Phi (установленным в процессорные гнёзда, а не в PCIe разъёмы) не потребуются обычные Xeon, что удешевляет стоимость систем, также наращивает их энергоэффективность. Беря во внимание, что многообещающий план для Xeon Phi уже составлен на годы вперёд, очень возможно, что и Knights Hill базируется на x86-совместимых ядрах, но, каких именно — не известно.
Главным преимуществом энергоэффективных ядер Intel для Xeon Phi является их малая площадь и возможность установить их в сопроцессор в больших количествах. В итоге, одной из задач при разработке архитектуры Bonnell было создание мультиядерных микросхем. Доработанный Silvermont в Knights Landing указывает, что компания продолжает считать экономные ядра хорошим решением для схожих суперкомпьютерных устройств, которым чуть ли требуется наибольшая производительность в однопоточных приложениях.
Как видно, применение микроархитектур Airmont и Silvermont полностью оправдано в дешёвых мобильных и настольных клиентских решениях, в суперкомпьютерных микропроцессорах, также в некоторых видах серверов (главное, не переоценить перспективы этих машин). Видимо, экономные ядра Intel рано списывать со счетов прямо сейчас. Но что все-таки нас ждёт в будущем?
Энергоэффективные CPU Intel: Перспективы
К огорчению, о будущем энергоэффективных микроархитектур Intel не известно ничего. Полностью может быть, что у Intel есть возможность и дальше усовершенствовать архитектуру, которая выбирает/декодирует две аннотации за такт (к примеру, оковём прибавления Hyper-Threading, улучшения блоков подборки, прибавления исполнительных устройств, повышение размеров OOO буферов, уменьшение латентности кешей и т. д.). Но более логичным было бы «расширение» архитектуры в сторону роста сразу исполняемых инструкций. Но это безизбежно увеличит размеры ядра, также его энергопотребление, приблизив эти характеристики к таким у высокопроизводительных ядер.
Intel Atom S1200
Имеет ли для Intel смысл наращивать параллельность эконом микроархитектур, при условии, что обычные архитектуры продолжат исполнять четыре аннотации за такт, а означает, разница между 2-мя микроархитектурами Intel будет сокращаться? Беря во внимание тот факт, что основная архитектура для Kaby Lake и CannonLake уже определена, Intel не планирует превосходных изменений в своих высокопроизводительных микроархитектурах как минимум до конца 2018 года (беря во внимание слухи об Ice Lake и Tiger Lake, и того подольше). Как следствие, как минимум ранее срока Intel не будет заинтересована сокращать разрыв между экономными и высокопроизводительными микроархитектурами.
Кроме этого, если Intel желает продолжать разрабатывать энергоэффективные малые ядра с прицелом на Xeon Phi, то большого смысла наращивать параллелизм выполнения инструкций в этих ядрах с одновременным их повышением для компании нет. Но при всем этом нет и смысла использовать экономные ядра только в суперкомпьютерных ускорителях на базе архитектуры MIC (many Intel core). Следующее мини-ядро пригодится Intel для Xeon Phi четвёртого поколения, известного как Knights Hill, которое будет выполняться по технологии 10 нм и увидит свет в конце этого – начале следующего десятилетия. На теоретическом уровне, Intel могла бы использовать для Knights Hill ядро Goldmont, но так как нам неизвестны требования к микропроцессорам Xeon Phi 2019–2020 годов, с уверенностью этого сказать нельзя.
Модуль Intel Curie на базе микропроцессора Quark
Понятно одно, с уходом Intel с рынка микропроцессоров для смартфонов компании более не требуется разрабатывать процессорные ядра с минимальным энергопотреблением с прицелом на подобные устройства. Но Intel не планирует уходить с рынка микропроцессоров для носимой и ультракомпактной электроники (что удивительно, так как конкурентность там ожидается серьезная, а видимых преимуществ у x86 там нет), а означает, компания продолжит работать над сокращением энергопотребления электронных схем как таких. Беря во внимание, что Intel перепрофилирует устаревшие ядра в микропроцессорах Quark для носимой и ультракомпактной электроники, ядра Silvermont/Airmont/Goldmont могли бы иметь смысл для этих устройств будучи дополнительно оптимизированными и изготовленными по технологии 7 нм.
Видимо, разная продукция на базе ядер Goldmont будет выпускаться в ближайшие несколько лет для частей дешевых ПК и даже серверов. При всем этом у компании не будет способности уменьшить размеры и энергопотребление своих дешевых SoC с помощью нового технологического процесса до конца 2017 года. Как следствие, или Intel придётся пропустить цикл выпуска дешёвых микропроцессоров для ПК и планшетов сначала 2017, или усовершенствовать имеющиеся проекты, как минимум интегрировав в их новый графический микропроцессор от Kaby Lake.
Экспериментальный микропроцессор Intel
Обычно разработчики процессоров (AMD, ARM, IBM, Intel) обнародуют особенности микроархитектур за год–два до их выхода на рынок, чтоб позволить разработчикам программного обеспечения улучшить свои продукты под новые CPU. Так как про наследников Goldmont не известно ничего, очень возможно, что в ближайшей 12–24 месяца их не появится. Беря во внимание обновлённую область внедрения энергоэффективных малых ядер Intel, инженерам компании более нет смысла делать их максимально экономными, но имеет смысл сохранять минимальные размеры ядра. Будет ли иметь смысл для этой цели разрабатывать отдельные ядра (которые сильно уступают высокопроизводительным по скорости), либо же есть смысл максимально урезать высокопроизводительные ядра — не известно. Но разумеется, что сузившаяся область внедрения окажет воздействие на принимаемые Intel решения и есть большая возможность, что они будут не в пользу эконом микроархитектур.