Các cải tiến chính tạo nên sức mạnh của Conroe

[Công Tử]

Conroe hiện đang là một chủ đề hot trong giới đam mê hardware trên thế giới bởi sức mạnh không cần phải bàn cãi của nó. Trên 4rum của chúng ta cũng có khá nhiều các anh em đang háo hức để tậu cho mình một PC mới dựa trên nền tảng CPU Conroe. Trong thread này tôi muốn giới thiệu một cách tổng quát các cải tiến chính tạo nên sức mạnh của Conroe hay nói chính xác hơn là của kiến trúc Intel Core Microarchitecture cũng như so sánh giữa 2 kiến trúc Intel Core Microarchitecture và AMD K8.

1 - Tiêu chuẩn đánh giá một CPU :

Hiệu năng :

Performance = Frequency x Instructions Per Cycle (IPC)

Từ công thức trên có thể thấy để tăng hiệu năng của CPU thì có thể tăng Frequency (dễ thấy nhất) hoặc có thể tăng IPC, IPC phụ thuộc vào kiến trúc của CPU (số các instruction decoder và excution block).

Một cách khác để tăng hiệu năng của CPU là giảm số thao tác cần để xử lý cùng một lượng dữ liệu, đây chính là trường hợp của các tập lệnh SIMD như SSE, SSE2, SSE3.

Điện năng tiêu thụ :

Power = Frequency x Voltage x Voltage x Cdynamic

Cdynamic là hằng số phụ thuộc vào kiến trúc của CPU, số transistor và hoạt động của chúng trong suốt quá trình hoạt động của CPU.



Từ 2 công thức trên ta có thể thấy các nhà thiết kế CPU phải tìm ra điểm cân bằng giữa IPC và Cdynamic để tối ưu hóa kiến trúc của CPU sao cho đạt được tỷ số performance/power là tốt nhất. Voltage cũng có ảnh hưởng rất lớn đến tỷ số này nhưng nó phụ thuộc phần lớn vào quy trình sản xuất chứ không phải kiến trúc của CPU và frequency cũng không ảnh hưởng nhiều đến tỷ số này.

Từ những lý do trên mà Intel phải từ bỏ kiến trúc NetBurst (ra đời vào năm 2000 với dòng CPU Pentium 4 nổi tiếng) và đầu tư vào nghiên cứu một kiến trúc mới nhằm cạnh tranh với kiến trúc K8 của AMD (vốn chiếm ưu thế so với kiến trúc NetBurst), kiến trúc mới này gọi là Core Microarchitecture dùng chung cho desktop (Conroe), laptop (Merom) và server (Woodcrest).

2 - Cơ bản về Intel Core Microarchitecture :

Core Microarchitecture có khả năng xử lý tối đa 4 instruction trên một clock cycle, nhanh hơn bất kỳ CPU nào hiện có. Excution pipeline của Core Microarchitecture có 14 stage, ngắn hơn nhiều so với Prescott, Smithfield, ... thuộc kiến trúc NetBurst (với hơn 30 stage). Nếu xét về performance per watt thì pipeline ngắn hơn có một lợi thế không cần phải bàn cãi.



Core Microarchitecture là native dual core, gồm 2 core nằm trên cùng một die, có 64 KB L1 Cache (32 KB cho instruction và 32 KB cho data), support EM64T không như Pentium M và Core Duo (Yonah) chỉ support tính toán 32 bit.

Core Microarchitecture được thiết kế cho nhiều phân khúc thị trường khác nhau. Intel cam kết chỉ cần giảm 15 % frequency thì peak power consumption giảm đến 50 %. Khả năng này cho phép sản xuất các dòng CPU cho các phân khúc thị trường desktop, laptop và server dựa trên Core Microarchitecture. Merom sẽ nhanh hơn thế hệ CPU cho laptop hiện tại của Intel là Core Duo (Yonah) khoảng 20 %, power consumption không vượt quá 35 W. Woodcrest sẽ nhanh hơn thế hệ Xeon hiện tại khoảng 80 %, power consumption khoảng 80 W (giảm 35 %). Conroe sẽ nhanh hơn Pentium D 900 series khoảng 40 %, power consumption của Conroe dòng mainstream khoảng 65 W (giảm 40 %).

3 - Intel Wide Dynamic Excution :

Bằng cách thêm vào một decoder và các excution unit vào mỗi core, công nghệ Wide Dynamic Excution cho phép Core Microarchitecture xử lý tối đa 4 instruction trên một clock cycle (nhanh hơn bất kỳ dòng CPU hiện tại nào của Intel và AMD vốn có khả năng xử lý tối đa 3 instruction trên một clock cycle).



Công nghệ macrofusion cho phép gia tăng số lệnh được xử lý trên một clock cycle. Một tập các cặp x86 instruction như lệnh so sánh theo sau bởi một lệnh rẽ nhánh theo điều kiện, sẽ được xem như một microinstruction và scheduler sẽ thực thi microinstruction này như một single command.



Nhìn hình trên ta có thể thấy 2 instruction jne targ và cmp eax, [mem2] được ghép lại thành một microinstruction là cmpjne eax, [mem2], targ.

4 - Intel Advanced Digital Media Boost :

Các software hiện tại như image, video, audio editing, data encryption, ... dùng rất nhiều các SSE instruction hỗ trợ toán hạng 128 bit. Các CPU hiện tại của Intel cần đến 2 clock cycle để xử lý một SSE instruction toán hạng 128 bit (64 bit cho một clock cycle). Kiến trúc mới Core Microarchitecture có khả năng xử lý SSE instruction toán hạng 128 bit chỉ trong một clock cycle. Việc này sẽ giúp tăng tốc các ứng dụng dùng nhiều SSE instruction. Bên cạnh đó, Intel có thể sẽ thêm vào các lệnh SSE mới.



5 - Intel Advanced Smart Cache :

Core Microarchitecture là CPU native dual core, không như các CPU dual core dòng Pentium D 800, 900 series có L2 cache riêng cho từng core, CPU dựa trên Core Microarchitecture sẽ có L2 cache dùng chung cho cả 2 core, công nghệ này có thể thấy trong các CPU dual core hiện tại của Intel dành cho laptop là Core Duo (codename Yonah). Công nghệ này cho phép điều chỉnh tự động dung lượng L2 cache cho từng core tùy vào tần suất truy xuất L2 cache của từng core. Đặc biệt, nếu cả 2 core cùng làm việc một cách đồng bộ trên cùng một dữ liệu thì dữ liệu này sẽ được lưu một lần tại một nơi trên L2 cache. Thiết kế này đem lại hiệu quả cao hơn so với thiết kế dành riêng cho mỗi core một L2 cache riêng.

Một điểm mạnh khác của L2 cache chia sẻ là giảm tải cho bộ nhớ và bus hệ thống. Giả sử tại một thời điểm nào đó, cả 2 core đều làm việc trên cùng một data. Với thiết kế dual core có L2 cache riêng cho từng core thì sẽ có 2 bản sao của data này trên L2 cache của từng core. Trước khi mỗi core truy xuất bản sao của data trên L2 cache của mình, nó phải đảm bảo đó là bản sao mới nhất của data tại thời điểm đó (vì có thể data đã được cập nhật bởi core còn lại), do đó sẽ có một quá trình update bản sao này diễn ra và quá trình này phải thông qua bộ nhớ và bus hệ thống. Với thiết kế L2 cache chia sẻ thì không cần phải update vì data được lưu một lần tại một nơi trên L2 cache chia sẻ giữa 2 core. Khi một core truy xuất data trên L2 cache chia sẻ thì data đó là mới nhất tại thời điểm đó.



6 - Intel Smart Memory Access :

Công nghệ Smart Memory Access cải tiến việc nạp trước dữ liệu. Kiến trúc Core Microarchitecture có 6 đơn vị nạp trước dữ liệu, 2 đơn vị cho việc nạp trước dữ liệu từ bộ nhớ vào L2 cache chia sẻ, 2 đơn vị cho việc nạp trước dữ liệu vào L1 cache của mỗi core. Các đơn vị này hoạt động độc lập và theo dõi các hoạt động truy xuất bộ nhớ của các excution unit và cố gắng nạp trước dữ liệu vào cache thậm chí trước khi có yêu cầu truy xuất tương ứng và dữ liệu được truy xuất trực tiếp từ cache (L1, L2) dĩ nhiên sẽ nhanh hơn so với từ bộ nhớ.

Smart Memory Access cũng bao gồm công nghệ memory disambiguation, giúp nâng cao hiệu quả của việc truy xuất bộ nhớ. Trong đa số trường hợp, các lệnh truy xuất bộ nhớ được thực thi theo thứ tự như khi chúng được đưa vào hàng đợi lệnh. Tuy nhiên trong số các lệnh truy xuất bộ nhớ đó có những lệnh hoàn toàn độc lập với nhau và công nghệ memory disambiguation sẽ phát hiện các lệnh như vậy và sắp xếp lại thứ tự thực thi của các lệnh này sao cho tối ưu, qua đó nâng cao hiệu quả truy xuất bộ nhớ.



7 - Intel Intelligent Power Capability :

Công nghệ Intelligent Power Capability giúp giảm điện năng tiêu thụ của các CPU dựa trên kiến trúc Core Microarchitecture. Các CPU dựa trên kiến trúc Core Microarchitecture có thể chia ra thành các thành phần nhỏ hơn và các thành phần này được cấp điện một cách riêng biệt. Khi có thành phần nào ở trạng thái idle thì CPU sẽ đưa thành phần đó vào trạng thái “ngủ đông” để giảm điện năng tiêu thụ.

8 - So sánh giữa 2 kiến trúc Intel Core Microarchitecture và AMD K8 :





Source tham khảo :



Post có thể còn nhiều điều khiếm khuyết, mong anh em thông cảm và đóng góp dùm ! :welcome:
Nguồn : amtech