Застывшая в кремнии музыка: процессоры Athlon Classic

Продолжая наш ретроспективный цикл, мы хотели бы поподробнее рассмотреть ядра, построенные на архитектуре K7, которая впервые заставила Intel опасаться конкуренции со стороны AMD.

В предыдущей статье мы в общих чертах рассказали об архитектуре K7, которая впервые заставила Intel опасаться конкуренции со стороны AMD. Продолжая наш ретроспективный цикл, мы хотели бы поподробнее рассмотреть ядра, построенные на этой архитектуре.

Имя моё Athlon

Как мы уже говорили, после того, как процессор AMD K5 потерпел оглушительный провал, а перекупленный у NexGen K6 также не принёс ожидаемых результатов, AMD решила не бросаться с шашкой на танки, а действовать более хладнокровно. Переманив из DEC практически весь коллектив разработчиков процессора Alpha и договорившись с Motorola об использовании её производственных мощностей, AMD принялась за разработку новой микроархитектуры К7.

Результат превзошёл все ожидания: новый процессор не только мог конкурировать с Pentium, но даже превосходил его по многим параметрам. Тогда в AMD вспомнили о маркетинге и решили отказаться от "порочной практики" буквенно-цифровых обозначений. Новая линейка процессоров с архитектурой К7 получила гордое имя Athlon; процессорным ядрам также были присвоены не менее звучные названия: Orion, Argon, Thunderbird и т.д. Подобно тому как в средние века громкие звучные имена были прерогативой знати, процессоры AMD выглядели гораздо более солидно не только с технической, но и с "нарицательной" точки зрения. Так началась "битва гигантов" - Athlon против Pentium.

Ядро Argon

Первым в семействе Athlon стало ядро Argon. Процессор выполнялся в форме картриджа под разъём Slot A, во многом напоминавший Slot 1 для Pentium II и Pentium III, но всё-таки не совместимый с ним. Выбор форм-фактора определили главным образом 512 Кбайт кэш-памяти и технологический процесс 250 нм: размещение кэша в ядре привело бы к существенному увеличению размеров кристалла, а следовательно, и стоимости. Разместить же память на материнской плате было нельзя из-за невозможности обеспечить необходимую скорость передачи данных от "заштатного" кэша к ядру. В результате кэш-память второго уровня расположилась на одной плате с процессорным ядром, внутри картриджа.

В процессорах на ядре Argon частота системной шины составляла 100 МГц, однако эффективная скорость была в два раза больше - за счёт передачи сигнала по фронту и по спаду такта синхронизации. Кэш-память второго уровня работала на половинной частоте ядра и соединялась с процессором 72-битной шиной - 64 разряда составляла длина строки кэша, а ещё 8 разрядов отводилось под коды коррекции (ECC).

В результате тактовые частоты процессоров на ядре Argon составляли от 500 МГц до 700 МГц. При этом тепловыделение самых быстрых моделей не превышало 54 Вт, что, по большому счёту, очень даже неплохо - особенно с учётом 250 нм техпроцесса. Вообще, ядро Argon оказалось настолько удачным, что даже после перехода на более сложный технологический процесс 180 нм Argon пережил "реинкарнацию" в первых моделях нового ядра Orion.

Ядро Orion

С переходом на новые технологические нормы AMD решила не отказываться от хорошо зарекомендовавшего себя ядра Argon. Так, первые ядра Orion - это, по сути, тот же самый Argon, просто выполненный по техпроцессу 180 нм. В результате при тех же тактовых частотах тепловыделение снизилось примерно в полтора раза. Для сравнения: Athlon 700 на ядре Argon выделял 54 Вт, а Athlon 700 на Orion - 38 Вт. В остальном же процессоры с частотами 550-750 МГц ничем не отличались от предшественников: кэш также располагался за пределами ядра и работал на половинной частоте системной шины, физическая скорость которой по-прежнему составляла 100 МГц.

Само ядро Orion не претерпело принципиальных изменений. Так же, как и Argon, ядро содержало три блока целочисленных вычислений и три блока для вычислений с плавающей запятой. Кроме того, процессоры на ядре Orion поддерживали наборы инструкций MMX и Enhanced 3DNow! в том же объёме, что и предшественники на Argon.

Однако, несмотря на значительное сходство с Argon, Orion обладали гораздо более высоким потенциалом для наращивания тактовой частоты. Технологический процесс 180 нм позволил снизить тепловыделение, поэтому можно было смело приниматься за "штурм" заветного рубежа в 1 ГГц, чем AMD и занялась.

Памятуя о своём давнем принципе "кэш-память - это наше всё", AMD начала постепенно наращивать частоту работы кэша второго уровня. Результатом ускорения памяти до 2/5 скорости ядра стали процессоры Athlon 800 и Athlon 850. При этом, несмотря на небольшое превосходство в тактовой частоте по сравнению с процессорами на ядре Argon, Orion обеспечивал более высокую производительность - как раз за счёт быстрой кэш-памяти.

Вдохновлённая успехами и близостью "заветного гигагерца", AMD решила выжать из нового ядра всё возможное, увеличив частоту кэш-памяти до 1/3 частоты ядра. В результате Athlon покорил-таки отметку в 1 ГГц. Однако "раскочегаренная" кэш-память дала о себе знать, и тепловыделение процессора достигло 65 Вт.

Было совершенно ясно, что дальше на ядре Orion наращивать частоты не получится - необходимы более существенные изменения ядра, нежели одно лишь усложнение технологического процесса. В результате на смену Orion пришло новое ядро Thunderbird, ставшее, пожалуй, самым известным из серии Athlon Classic.

Ядро Thunderbird

Новое ядро Thunderbird выпускалось по тому же технологическому процессу, что и предыдущие - 180 нм, однако конструктивно ядро претерпело значительные изменения.

Прежде всего, изменениям и доработкам подвергся столь милый сердцу AMD кэш. Был серьёзно переработан сам алгоритм функционирования кэш-памяти, причём не только второго уровня (L2), но и первого (L1). Если раньше данные из L1 дублировались в L2, то теперь каждый уровень хранил собственные данные, что увеличило полезный объём кэш-памяти на размер L1. Кроме того, оба уровня памяти фактически сливались в один большой кэш, содержащий более (L1) и менее быстрые (L2) участки. Учитывая, что в самой микроархитектуре К7 был заложен весьма внушительных размеров L1, L2 стал менее критичным фактором.

В результате разработчики пустили "под нож" ни много ни мало - половину объёма кэш-памяти второго уровня, оставив от былого богатства только 256 Кбайт. Однако за счёт уменьшения кэша удалось полностью "переселить" его в процессор, а заодно и разогнать до соотношения 1/1 с частотой ядра. Такие манипуляции позволили не только не потерять в производительности, но и несколько увеличить её. Правда, в такой ситуации становится немного обидно за саму микроархитектуру К7, способную "раздуть" кэш второго уровня аж до 8 Мбайт.

С переходом на новое ядро изменился и форм-фактор процессоров. Теперь Athlon стал выпускаться в керамическом корпусе под штырьково-контактный разъём Socket A. Младшие же модели Athlon производились сразу в двух видах: под привычный Slot A и под новый Socket A. Новый разъём очень полюбился производителям системной логики и недостатка в материнских платах для ядра Thunderbird не было. Особенно удачным получился чипсет VIA KT133, в связке с которым Athlon достигал наибольшей производительности.

Тактовые частоты процессоров на ядре Thunderbird составляли от 600 МГц до 1,4 ГГц, а скорость системной шины по-прежнему равнялась 100 МГц. Однако после перехода, вслед за Intel, на медные соединения, AMD решилась на эксперименты с частотой системной шины у старших моделей Thunderbird.

Так появилась модификации Athlon с индексом "С". Системная шина новых процессоров работала на частоте 133 МГц, что позволяло получить эффективную частоту 266 МГц. В результате Athlon C при равных тактовых частотах опережал по производительности своих предшественников в среднем на 10%.

По большому счёту, процессор Thunderbird стал второй удачей компании AMD со времён Am386DX. Именно это ядро сумело окончательно затмить Pentium III и вывести AMD на лидирующие позиции. Пусть не надолго, но, тем не менее, это был весьма серьёзный успех, которому AMD во многом обязана именно ядру Thunderbird.

"И вечный бой, покой нам только снится…"

Не успела AMD вдоволь насладиться "почиванием на лаврах", как вновь оказалась в роли догоняющей в гонке за мегагерцами. Новая микроархитектура Intel NetBurst, обладающая колоссальным потенциалом для наращивания тактовой частоты процессоров, стала настоящим прорывом. Так, Pentium 4 на ядре Willamette прекрасно чувствовал себя, работая на частоте 1,5 ГГц. В то же время, процессоры Athlon 1400B/C находились на грани "теплового удара", рассеивая около 72 Вт.

Однако AMD, по всей видимости, не сумела вовремя распознать всю мощь новой микроархитектуры Intel, и решила, что очередной, пусть и глубокой, модернизации архитектуры К7 будет вполне достаточно, чтобы снова обогнать конкурента. Так появились процессоры новой линейки Athlon XP. Однако это уже другая история, о которой мы поведаем в следующей статье нашего цикла.