Katsaus AMD K10 -arkkitehtuuriin

Tällä kertaa vuorossa on katsaus AMD:n uuteen K10-arkkitehtuuriin, johon perustuvia Opteron-prosessoreita julkaistiin 10. syyskuuta. Artikkelin tarkoituksena on selvittää hyvissä ajoin etukäteen uuden arkkitehtuurin uudistuksia ja uusia ominaisuuksia Phenom-työpöytäprosessoreiden julkaisun alla. Tutkinnan kohteena ovat K10-arkkitehtuuriin perustuvat prosessorit, valmistusprosessit, virransäästöominaisuudet, virtualisointi, AMD:n suunnitelmat tulevaisuuteen ja K10-arkkitehtuuri pintaa syvemmältä.

AMD K10 -prosessorit

Vuonna 2003, kun AMD julkaisi hartaasti odotetun ja paljon myöhästymisiä kohdanneen K8-arkkitehtuurin, ensimmäisenä julkaistiin huhtikuussa Opteron-tuoteperheen prosessorit työasema- ja palvelinkäyttöön. Vasta myöhemmin syyskuussa kuluttajat pääsivät nauttimaan K8-arkkitehtuurista AMD:n julkaistua työpöytäkäyttöön tarkoitetut Athlon 64 -prosessorit. Tilanne on K10:n kanssa sama, sillä ensimmäisenä AMD julkaisi 10. syyskuuta Barcelona-koodinimelliseen ytimeen perustuvat Opteron-prosessorit ja vasta loppuvuodesta luvassa ovat Phenom-tuoteperheen työpöytäprosessorit.

Neljä vuotta kestäneen K8-aikakauden aikana AMD on muun muassa vaihtanut prosessorikantaa ja siirtynyt pienempään valmistustekniikkaan pariin otteeseen sekä esitellyt kaksiytimiset prosessorit. Palvelimiin tarkoitettu Barcelona-koodinimellinen prosessori tuo mukanaan kuitenkin merkittäviä uudistuksia, kuten natiivin neljän ytimen prosessorin, eli kaikki ytimet ovat samalla piisirulla, 512 kilotavun L2-välimuistin jokaiselle ytimelle sekä jaetun kahden megatavun L3-välimuistin ytimien kesken, uudistetun muistiohjaimen ja virtualisointiominaisuudet, 128-bittiä leveän SSE-käskyjen käsittelijän ja parannellut virransäästöominaisuudet.

Kaikilla ainakin toistaiseksi julkaistuilla Barcelona-prosessoreilla on yhteistä 512 kilotavun L2-välimuistia ydintä kohdin, yhteinen kahden megatavun L3-välimuisti, 65 nanometrin SOI-valmistusprosessi, muistituki, joka rajoittuu 333 MHz:n (667 MHz DDR) kellotaajuudellisiin DDR2-muisteihin sekä 1207-pinninen Socket F -prosessorikanta. Prosessorikanta on siis sama kuin aiemmilla Opteron-prosessoreilla, joten nykyisten kaksiytimisten Opteron-järjestelmien päivittäminen neliytimiseen aikakauteen onnistuu yksinkertaisesti BIOS-päivityksellä sekä prosessorien vaihtamisella.

Ensimmäisessä rytäkässä AMD julkaisi neljä mallia neljän tai useamman prosessorin laitteistoihin ja viisi mallia kahden prosessorin laitteistoihin. Opteron 8300 -tuoteperheen huippumalli on 2,0 GHz:n kellotaajuudella toimiva 8350, jonka tehonkulutuksesta kertova ACP-arvo on 75 wattia. Mukana on myös 1,9 GHz:n kellotaajuudella toimiva 8347 ja 8347 HE, joista jälkimmäisen HE-merkintä kertoo prosessorin alemmasta tehonkulutuksesta (55 wattia). Malliston peräpäätä pitää 8346 HE, joka toimii 1,8 GHz:n kellotaajuudella. Hinnat vaihtelevat 698 ja 1019 dollarin välillä.

Opteron 2300 -tuoteperheen viidestä mallista suorituskykyisin on 2350, joka toimii 2,0 GHz:n kellotaajuudella ja ACP-arvo on niin ikään 75 wattia. Lisäksi mukana ovat 8300-tuoteperheen mallien kanssa vastaavat 1,9 GHz:n 2347 ja 2347 HE sekä 1,8 GHz:n 2346 HE, mutta lisäksi 1,7 GHz:n kellotaajuudella toimiva 2344 HE. Opteron 2300 -prosessoreiden yksittäishinnat 1000 kappaleen erissä liikkuvat 209 ja 389 dollarin välillä.

Barcelona on AMD:n ensimmäinen neliydinprosessori ja samalla se on markkinoiden ensimmäinen ja tällä hetkellä ainoa natiivi neliydinprosessori. Intel julkaisi oman neliydinprosessorinsa jo viime vuoden marraskuussa, mutta Intelin osalta neljä ydintä ovat kahdella eri piisirulla. Barcelona valmistetaan 65 nanometrin SOI-prosessilla (Silicon on Insulator) ja se on huomattavasti monimutkaisempi, kuin aiemmat K8-arkkitehtuurin prosessorit. K10-arkkitehtuurin prosessorit vaativat 11 metallikerrosta, kun K8-prosessoreissa niitä vaaditaan yhdeksän ja Intelin Core 2 -prosessoreissa ainoastaan kahdeksan. Kuluttajalle tästä ei ole näkyvää etua taikka haittaa, mutta valmistusvaiheessa kasvanut kerrosmäärä tekee valmistuksesta monimutkaisempaa.

Barcelonan ydin sisältää 463 miljoonaa transistoria ja se on pinta-alaltaan noin 285 neliömillimetriä. Vertailuksi Intelin nykyisissä 65 nanometrin prosessilla valmistettavissa Kentsfield-koodinimellisissä neliydinprosessoreissa on 582 miljoonaa transistoria 286 neliömillimetrin alueella. Tulevat 45 nanometrin Yorkfield-prosessoreissa on yhteensä 820 miljoonaa transistoria 217 neliömillimetrin alueella.

Reilut 100 miljoonaa pienempi transistorilukumäärä selittyy välimuisteilla, sillä Barcelonassa on yhteistä L3-välimuistia kaksi megatavua ja jokaisella neljällä ytimellä 512 kilotavua L2- ja 128 kilotavua L1-välimuistia, joten yhteensä L3-, L2- ja L1-välimuistia on 4,5 megatavua. Intelin prosessorissa on molemmissa piisiruissa neljä megatavua L2-välimuistia ja molemmissa ytimillä 64 kilotavua L1-välimuistia, joten yhteensä L2- ja L1-välimuistia on 8,25 megatavua, joka on lähes kaksinkertaisesti Barcelonaan verrattuna.

AMD esittelee kaaviossaan prosessorikehitystään, joka starttaa elokuusta 2000 AMD:n paljastettua x86-64:n, joka myöhemmin nimettiin AMD64:ksi. Ensimmäiset AMD64:ään perustuvat Opteronit julkaistiin huhtikuussa 2003 ja natiivi kaksiydinprosessori julkaistiin tästä kahden vuoden päästä. Vuosi 2006 oli AMD:n osalta hiljainen, eikä tämän vuoden alku ole tehnyt siihen poikkeusta. Loppuvuosi toi kuitenkin tullessaan K10-arkkitehtuuriin perustuvat Opteron-prosessorit ja seuraava suurempi julkaisu tulee tapahtumaan vuoden – kahden päästä Fusionin myötä. Fusionin kantavana ideana on integroida grafiikkaohjain ja prosessori samaan piiriin, ja tähän paneudutaan tarkemmin myöhemmin tässä artikkelissa.

AMD on nimennyt uusien Opteron-prosessoreiden vahvuudeksi neljä osa-aluetta, jotka ovat suorituskyky, alhainen tehonkulutus, parannettu virtualisointi sekä sijoitusten turvaaminen. Sinällään näissä ei ole mitään uutta, sillä virtualisointi on vanha tuttu jo aiemmista prosessoreista, mutta K10:n myötä AMD on panostanut tähän ominaisuuteen entistä enemmän. Suorituskyvyn lisääminen on itseisarvo nopeasti kehittyvässä prosessoriteollisuudessa. Varsinkin viimeisen parin vuoden aikana tehonkulutukseen on alettu kiinnittää entistä enemmän huomiota ja Barcelonan julkaisun yhteydessä tämä oli yksi avaintekijä, millä AMD hehkutti ylivoimaisuuttaan kilpailijoitaan kohtaan.

Opteron-prosessoreiden yksi merkittävä tekijä suorituskyvyn ja tehonkulutuksen optimoinnin suhteen on Direct Connect -arkkitehtuuri, joka käsittää kolme elementtiä. Ensimmäinen näistä on prosessoriin integroitu muistiohjain, joten muistiliikenne ei kulje Intel-alustojen tavoin northbridgen kautta, vaan suoraan prosessorin ja DDR2-muistien välillä. Toiseksi, jos laitteistossa on kaksi tai useampi prosessori, ne kommunikoivat suoraan keskenään HyperTransport-väylän kautta ja kolmanneksi prosessori on yhteydessä I/O-portteihin HyperTransportin kautta.