Процессор

Эпоха клонов:

K5

K6

Athlon и Athlon XP: K7

Athlon 64: K8

Athlon 64 X2: K8

Phenom: K10

Phenom II: K10.5

Первые процессоры: эпоха клонов

В 1969 году компания AMD начала свою деятельность как производитель интегральных микросхем. Первым процессором компании в 1974 году стал Am9080 — клон Intel 8080, разработанный с помощью реверс-инжиниринга.

Первой собственной разработкой AMD в 1975 году стал Am2900 — семейство интегральных микросхем, составляющих модульный процессор. В его основе были четырехбитные арифметико-логические устройства, которые могли комбинироваться друг с другом и другими микросхемами, в том числе для организации восьми- или шестнадцатибитного процессора. Решение получило популярность в аркадных игровых автоматах и промышленных компьютерах.

В 1976 году Intel дает AMD лицензию на производство клона Intel 8080. В 1982 году компания заключает соглашение с Intel, согласно которому получает лицензию на производство клонов моделей Intel с архитектурой x86. Благодаря этому в течение нескольких лет AMD выпускает собственные копии 16-битных разработок Intel — процессоров Am8086, Am8088, Am80186, Am80188 и Am80286.

Параллельно с выпуском клонов компания занимается разработкой собственного процессора, который увидел свет в 1987 году. Семейство микросхем Am29000 представляет модульный 32-битный процессор, построенный на архитектуре RISC, работающей с простыми командами. Не являясь суперскалярным, ЦП позволял выполнять операции с целыми числами и плавающей запятой за один цикл. Достигалось это благодаря раздельным портам записи в регистры для обоих типов операций. Для производства микросхем использовалась технология 1 мкм. Тактовая частота варьировалась от 25 до 50 МГц. Процессор нашел применение в разнообразных устройствах, в том числе бортовых системах самолетов. Разрабатывалась и суперскалярная версия, но в свете доминирования на рынке архитектуры x86 она была отменена.

В конце 1985 года Intel выпускает свой первый 32-битный процессор Intel 80386. Компания запрещает AMD создавать его копии, ссылаясь на собственную интерпретацию заключенного ранее договора, согласно которой он распространяется только на процессоры до Intel 80286 включительно. Лишь в 1991 году, пройдя несколько судебных разбирательств, AMD получает разрешение на производство собственного клона Am386. Решения компании смотрелись более выгодно: когда Intel только вывела на рынок модели с частотой 33 МГц, AMD сразу стала предлагать клоны с частотой 40 МГц и более низким энергопотреблением.

Клона Intel 80486 — модель Am486 — компания представила в 1993 году. Как и разработки Intel, модели AMD имеют 8 КБ встроенного кеша первого уровня и выпускаются для разных сокетов — Socket 1, 2 или 3. Используется техпроцесс 0.7 мкм, позволяющий достигать частот от 33 до 120 МГц.

Ответом на выпуск Intel Pentium стал процессор Am5x86, выпущенный в 1995 году. Архитектура модели не претерпела изменений, повышение производительности достигалось лишь за счет увеличенного до 16 КБ кеша и более высокой частоты в 133 МГц. В этом поколении компания впервые внедряет рейтинг производительности PR. Он показывает, какому процессору Pentium соответствует каждая модель AMD. Разработка получает полное название Am5x86-P75, что подразумевает уровень производительности, сопоставимый с Pentium частотой 75 МГц.

K5

Несмотря на наличие Am5x86, в компании понимали, что ускоренный 80486 не догонит старшие модели Pentium. В недрах AMD уже кипела разработка собственного процессора, способного составить конкуренцию продуктам Intel.

За основу были взяты наработки суперскалярной версии Am29000. Хотя K5 противопоставлялся обычным Pentium, в основе его архитектуры лежат особенности, делающие его по внутреннему строению намного ближе к Pentium Pro. Сердцем процессора является RISC-ядро, перед исполнением декодирующее сложные инструкции в простые. Поддерживается внеочередное исполнение команд. У ЦП пять целочисленных блоков и один блок для вычислений с плавающей запятой. Кеш данных имеет объем в 8 КБ, кеш инструкций — 16 КБ. K5 был быстрее Pentium на одинаковой частоте, однако до Pentium Pro все же не дотягивал.

Первые процессоры K5 были выпущены в марте 1996 года. Исходные версии, обозначаемые SSA/5, имели частоты от 75 до 100 МГц. Частота шины FSB колебалась от 50 до 66 МГц. В усовершенствованные версии 5k86, вышедшие в конце того же года, были внесены изменения в блок прогнозирования ветвлений, за счет чего производительность на такт повысилась. Эти модели имели частоты от 90 до 133 МГц. Аналогично Pentium использовались Socket 5 и Socket 7. ЦП производились по 500 нм технологии, работали от напряжения 3.5 В и выделяли от 11 до 16 Вт тепла. Как и конкурирующим Pentium, собственным моделям AMD впервые понадобилось активное охлаждение.

K6

В 1996 году AMD поглотила компанию NexGen, которая ранее также занималась разработкой процессоров c архитектурой x86. Ее последняя собственная разработка под названием Nx586 тоже позиционировалась как конкурент Pentium и имела похожее ядро, работающее по принципу декодирования сложных инструкций в простые, но не имела встроенного математического сопроцессора FPU.

После того, как AMD выкупила компанию, она использовала ее наработки по следующему проекту процессора Nx686, интегрировав в ядро FPU и добавив поддержку 64-битных мультимедийных инструкций MMX. Так в 1997 году на свет появилось следующее поколение процессоров AMD — K6. Конвейер архитектуры достаточно короткий и имеет глубину в 6 стадий. Процессоры серии позиционировались как конкуренты Pentium и Pentium MMX, но стоили дешевле, благодаря чему получили большое распространение.

Кеш первого уровня был увеличен и состоял из двух половинок по 32 КБ — для инструкций и для данных. Первые модели K6 производились по техпроцессу 350 нм и достигали частоты 233 МГц, выделяя при этом до 28 Вт тепла. Вторая волна моделей, датируемая 1998 годом, стала производиться по более тонкому 250 нм техпроцессу, благодаря чему удалось снизить напряжение питания с 3.2-3.3 до 2.2 В. В результате максмальный TDP упал до 15 Вт, а потолок частот увеличился до 300 МГц. Как и поздние K5, модели использовали Socket 7. Процессоры компании оставались на этом сокете вплоть до архитектуры K7.

В мае 1998 года AMD представляет новый процессор K6-2. Благодаря отлаженному 250 нм техпроцессу частоты удалось поднять до 550 МГц при TDP от 15 до 28 Вт. Архитектура осталась прежней, но была добавлена поддержка нового набора инструкций для вычислений с плавающей запятой 3DNow!, грамотное использование которых могло дать значительный прирост в некотором ПО, в том числе в играх.

Следующим процессором серии стал K6-III, выпущенный в феврале 1999 года. Рецепт создания третьего поколения K6 достаточно прост: за основу был взят K6-2, в кристалл которого интегрировали кеш второго уровня L2 объемом 256 КБ. Набор инструкций 3DNow! в K6-III был несколько расширен, получив приписку «Enhanced» в названии.

В силу того, что все так же использовалась платформа Socket 7, кеш на материнской плате тоже никуда не делся, и в дуэте с новыми процессорами стал играть роль кеша третьего уровня L3. Однако используемая платформа накладывала ограничения по потребляемой мощности, поэтому процессоры K6-III так и не перешагнули прежнюю планку в 550 МГц при потреблении в пределах 30 Вт. ЦП конкурировали с первыми Pentium 3, но с более поздними моделями линейки в силу ограниченной частоты тягаться уже не могли.

Годом позже компания перенесла процессоры второго и третьего поколений архитектуры K6 на техпроцесс 180 нм. Обновленные версии получили названия K6-2+ и K6-III+, они отличались сниженным до 1.6-1.8 В напряжением питания и меньшим энергопотреблением. В первую очередь эти модели нашли применение в ноутбуках, став редким гостем в десктопных компьютерах.

Athlon и Athlon XP: K7

AMD понимала, что возможности Socket 7 себя исчерпали, как и архитектура K6 — с таким коротким конвейером достигнуть более высоких частот было трудно. Разработка следующего процессора серии стартовала еще в 1997 году, но представлен он был лишь в июне 1999 года. Так началась эра процессоров под названием AMD Athlon.

Архитектура K7, лежавшая в основе новинки, была существенно переработана. Конвейер удлинился до 10 стадий, новое ядро могло исполнять до трех инструкций за такт. Математический сопроцессор был переработан и получил конвейерное строение. Это устранило такой недостаток, как невозможность начала новой операции до завершения текущей. У компании DEC была лицензирована системная шина EV6, которая легла в основу соединения процессора с системой и позволяла передавать данные дважды за такт. Благодаря этому ее эффективная частота составляла 200 МГц, а пропускная способность равнялась 1.6 ГБ/c. Кеш L1 был увеличен в два раза: теперь и для данных, и для инструкций использовались сегменты по 64 КБ.

От K6-III архитектура унаследовала поддержку инструкций 3DNow! Enhanced. Как и в случае с Pentium II и ранними Pentium III, было решено выделить кеш L2 в отдельные микросхемы и использовать для процессора картридж. Разъем под названием Slot A был физически совместим с разработкой Intel под названием Slot 1, но электрическая совместимость отсутствовала. Помимо кристалла процессора, в картридже находились микросхемы кеш-памяти L2 объемом 512 КБ, доступ к ним осуществлялся через отдельную 64-битную шину.

Кристаллы первых моделей на ядре Argon выпускались по 250 нм техпроцессу и работали при напряжении 1.6 В. Athlon были быстрее Pentium 3 в большинстве задач, но и потребляли при этом больше. Первая волна моделей имела TDP до 50 Вт. Второе поколение ядер, переведенное на 180 нм техпроцесс и получившее название Pluto, рассеивало до 65 Вт. Первые модели достигали частоты в 700 МГц, а их преемники могли работать на немного более высоких частотах, но для этого напряжение питания приходилось увеличивать до 1.7-1.8 В. Мобильные версии могли работать на более низком напряжении — от 1.1-1.2 В. Несмотря на высокое тепловыделение, именно эти чипы послужили основой первого процессора, покорившего частоту 1 ГГц — эта модель Athlon была выпущена 6 марта 2000 года.

При высоких тактовых частотах и хорошей производительности, у первых двух волн процессоров был явный недостаток: скорость кеш-памяти составляла от половины до третьей части частоты ядра. Он был решен в 2000 году в третьем поколении ядер под кодовым названием Thunderbird, которое по-прежнему производилось по технологии 180 нм. Как и у поздних Pentium III, кеш-память второго уровня интегрировали в ядро, уменьшив ее объем до 256 КБ. При этом кеш L2 стал эксклюзивным, в отличие от ранее используемого инклюзивного, что позволяло более экономно использовать его ресурсы.

Процессоры этого поколения выпускались как в исполнении Slot A, так и для нового Socket A с 462 контактами — интегрированная кеш-память L2 позволила отказаться от слотового исполнения. Многие модели получили ускоренную шину с частотой 266 МГц. Потолок тактовых частот ЦП достиг 1.4 ГГц, а максимальное тепловыделение — 72 Вт. Впервые были выпущены упрощенные модели под названием Duron. Их отличием стал уменьшенный до 64 КБ кеш L2 и тактовые частоты в пределах 950 МГц. Предназначались они для конкуренции с Intel Celeron.

Вершиной развития архитектуры K7 в 2001 году стали процессоры Athlon XP. Новое ядро под кодовым названием Palomino получило поддержку инструкций 128-битных инструкций SSE и механизм аппаратной предвыборки данных, что дало небольшой прирост производительности. Полностью перешедшие на сокетное исполнение, процессоры могли достигать частоты в 1.73 ГГц при прежнем тепловыделении. Система рейтингов была обновлена — теперь числа в названии Athlon указывали на соответствие производительности конкурирующему Pentium 4 с определенной тактовой частотой. Платы для новых процессоров впервые могли похвастаться поддержкой ОЗУ DDR — ранее использовалась исключительно память типа SDRAM.

В 2002 году Athlon XP были перенесены на техпроцесс 130 нм вместе с новым поколением ядер Thoroughbred. Тактовые частоты достигли 2.2 ГГц, появились модели с частотой шины 333 МГц. Напряжение ядра было снижено до 1.5-1.6 В, в результате чего максимальный TDP снизился до 68 Вт. В начале 2003 года по аналогичному техпроцессу выпускаются процессоры Athlon XP на новом ядре Barton, единственным изменением которого является в увеличенный до 512 КБ объем кеша L2. Топовые процессоры оснащаются шиной, работающей на частоте 400 МГц, но потолок частот при этом ЦП остается прежним, а TDP вырастает до 79 Вт.

В конце того же года появляется несколько моделей на ядре Thorton, которое отличается от Barton вдвое меньшим кешем второго уровня. Годом позже оно легло в основу первых моделей бюджетных процессоров Sempron, пришедших на смену старым Duron.

Athlon 64: K8

64-битная эпоха для десктопных процессоров начинается именно с продукции компании AMD. В то время, как Intel разрабатывала процессоры семейства Itanium на совершенно другой архитектуре IA-64, AMD пошла по пути совместимости с x86, разработав архитектуру x86-64, которая до сих пор живет и здравствует в каждом центральном процессоре обеих компаний.

Архитектура K8, помимо поддержки 64-битных вычислений, принесла множество других новшеств. Ядро получило переработанные декодеры, улучшенный предсказатель переходов и увеличенный буфер TLB. Конвейер был удлинен до 12 стадий, а увеличенный до 1 МБ кеш второго уровня получил шину с двумя независимыми 64-битными линиями —для чтения и записи соответственно. Добавлена поддержка инструкций SSE2.

Контроллер оперативной памяти DDR был перенесен в кристалл процессора и получил прямую связь с ним, минуя шину связи с чипсетом. Роль последней вместо FSB стала играть новая скоростная шина HyperTransport, первая версия которой работала на частоте от 800 до 1000 МГц и давала пропускную способность 3.2-4 ГБ/c в каждом направлении при ширине в 16 бит. Благодаря этим изменениям были устранены узкие места при общении процессора с памятью и остальными компонентами системы. Максимальный объем ОЗУ был ограничен материнскими платами и мог составлять до 4 ГБ.

Помимо соединения с чипсетом, еще два линка шины HyperTransport могли связывать собой несколько процессоров — до восьми. Первыми процессорами архитектуры K8 в 2003 году стали серверные Opteron, поддерживающие такую возможность. Для них использовался новый Socket 940. Аналогичное исполнение получил и первый топовый процессор Athlon 64 серии FX. «Гражданские» версии Athlon 64 получили упрощенный Socket 754, а чуть позже и Socket 939. Оба сокета лишены многопроцессорных возможностей. Главным отличием между ними была организация ОЗУ — у первого был возможен только одноканальный режим доступа, а вот второй мог похвастать двухканальным. К тому же модели для Socket 754 отличались пониженной до 800 МГц частотой шины HyperTransport — в отличие от Socket 939, где она составляла 1000 МГц.

Ядро первых моделей Athlon 64 получило название Clawhammer и производилось по техпроцессу 130 нм. Различные модели комплектовались кешем второго уровня объемом 256, 512 или 1024 КБ. Частоты достигали 2.4 ГГц при напряжении ядра 1.5 В и TDP до 89 Вт. Топовая версия Athlon 64 FX для Socket 940 могла достигать 2.6 ГГц при немалых 104 Вт тепловыделения. Младшие модели серии FX с частотами 2.2 и 2.4 ГГц вышли позже и перешли на использовавшие Socket 939. Мобильные версии с низким энергопотреблением получили название Turion 64.

Модели Athlon 64 на базе модернизированного ядра Newcastle поступили в продажу в апреле 2004 года. Они были почти во всем аналогичны предшественникам, отличаясь лишь кешем L2 объемом 512 КБ и поддержкой технологии защиты от переполнения буфера NX-Bit. Помимо старших моделей, ассортимент расширили и младшие Sempron с урезанным до 256 КБ кешем.

В сентябре 2004 года ядро переносится на 90 нм техпроцесс и получает название Winchester. Сочетание более тонкого техпроцесса и пониженное до 1.35-1.4 В напряжение питания дает свои плоды — новые модели рассеивают не более 67 Вт тепла. От исполнения Socket 754 в этом поколении решено было отказаться, оставив лишь модели для Socket 939. Процессоры Sempron получают разновидности со 128 и 256 КБ кеша L2.

В апреле 2005 года обновленное ядро San Diego, все так же выпускавшееся по 90 нм технологии, вновь оснастили кешем L2 размером 1 МБ. Был улучшен контроллер памяти и добавлена поддержка инструкций SSE3. Athlon 64 на базе этого ядра рассеивали до 89 Вт тепла. Обычные модели все еще имели потолок частот в 2.4 ГГц, но топовые модели Athlon 64 FX на этом ядре достигали 2.8 ГГц при TDP 110 Вт. Параллельно было выпущено упрощенное ядро Venice, отличавшееся от старшего брата уменьшенным до 512 КБ кешем L2.

Athlon 64 X2: K8

Первые двухъядерные процессоры Athlon 64 X2 компания выпускает 1 июня 2005 года. В отличие от конкурентного Pentium D, разработка AMD содержит два ядра на одном кристалле. Первые модели, основанные на ядре Toledo, удваивают возможности ядра San Diego — два ядра K8 с частотой в пределах 2.4 ГГц, и до 1 МБ кеша L2 на ядро. Ядро для бюджетных моделей Manchester удваивает возможности более простого Venice, предлагая те же два ядра, но с полумегабайтным кешем на каждое. Шина HyperTransport была обновлена до версии 2.0, но ее эффективная частота и пропускная способность остались прежними.

Благодаря однокристальной компоновке даже при неизменном 90 нм техпроцессе тепловыделение процессоров нового поколения не превышало 110 Вт. Однако один недостаток у новых процессоров был: использовался тот же Socket 939, который поддерживал исключительно двухканальную память DDR первого поколения. Кроме того, некоторые бюджетные Sempron до сих пор оставались на платформе Socket 754 с одноканальной памятью DDR.

В мае 2006 года AMD представляет новую платформу AM2 и линейку процессоров для нее. Сокет AM2 содержит 940 контактов и похож на предшественника, но использует память двухканальную DDR2 частотой до 800 МГц при максимальном объеме в 8 ГБ — для этого в ЦП для AM2 использовался новый встроенный контроллер памяти. Первые модели на базе ядра Windsor производились по техпроцессу 90 нм, но смогли покорить более высокие частоты до 3.2 ГГц благодаря сниженному до 1.25-1.35 В напряжению питания. При этом потолок максимального TDP возрос до 125 Вт. Новые процессоры стали поддерживать технологию виртуализации AMD-V. Ядро легло и в основу новой двухъядерной линейки процессоров с низким энергопотреблением Turion 64 X2.

В декабре 2006 года компания переносит процессоры на 65 нм техпроцесс, уменьшив кеш второго уровня до 512 КБ на ядро. Благодаря этому новые модели на ядре Brisbane сокращают тепловыделение до 89 Вт при прежнем потолке частот. У поздних моделей напряжение ядра было снижено до 1.15-1.20 В, а из названия убрана цифра 64 — теперь они именовались просто Athlon X2.

Phenom: K10

К 2007 году архитектура K8 стала нуждаться в замене. В то время как Intel начинала отнимать у AMD значительную часть рынка с помощью процессоров Core 2 Duo и Quad, в недрах компании разрабатывалась следующая процессорная архитектура — K10.

K10 не является новой разработкой, она основана на предшествующей K8. Был улучшен предсказатель ветвлений, увеличен его буфер и буфер TLB. Предвыборка ускорилась с 16 до 32 инструкций за такт. Добавилась поддержка новых мультимедийных инструкций SSE4a. Шина HyperTransport обновилась до версии 3.0 и работала на частотах 1.8-2.0 ГГц. Это удвоило пропускную способность между процессорами и системой до 7.2-8 ГБ/c в каждом направлении.

Кеш второго уровня все так же имеет две линии — на чтение и на запись, но теперь ширина каждой увеличена до 128 бит. Добавлен кеш третьего уровня L3. В отличие от L2, он общий для всех ядер. Контроллер памяти был усовершенствован: помимо поддержки DDR2-1066, теперь каждый 64-битный канал памяти имел независимое адресное пространство, что позволяло более эффективно использовать ОЗУ в многопоточном ПО.

Процессоры на базе архитектуры K10 содержат до четырех ядер. Они используют однокристальную компоновку аналогично предшественникам и в отличие от конкурентных Core 2 Quad. Поддерживается отдельное управление частотами для каждого ядра, которого у K8 еще не было. Также были расширены возможности управления питанием частей процессорного кристалла, что поспособствовало меньшему энергопотреблению в состоянии простоя.

Разъем для новых моделей получил название AM2+ и был совместим с предыдущим AM2. Его главным отличием стала поддержка шины HyperTransport 3.0, работающей на более высоких частотах. При этом новые процессоры могли работать и на старых платах с обновлением BIOS, но с сокетом AM2 предельным режимом связи ЦП с системой оставался HyperTransport 2.0.

Кристалл процессоров получил название Agena. Первые модели были выпущены в конце 2007 года и производились по 65 нм технологии. Чипы имели в своем составе четыре ядра, которые могли отключаться для разных моделей. Таким образом, новую линейку процессоров составили четырехъядерные Phenom X4, трехъядерные Phenom X3 и двухъядерные Athlon X2 — несмотря на схожее с предшественниками название, эти модели тоже были основаны на K10. У всех моделей на каждое ядро приходилось по 512 КБ кеша L2, а общий кеш L3 составил 2 МБ.

Несмотря на планы AMD по достижению процессорами K10 высоких тактовых частот, у первых моделей они были даже ниже, чем у предшественников на K8 — до 2.8 ГГц у двухъядерных и до 2.6 ГГц у трех- и четырехъядерных моделей. При этом топовые модели способны были рассеивать свыше 125 Вт тепла, хотя напряжение питания по сравнению с прошлым поколением было невысоким — от 1.1 до 1.3 В.

В 2008 году специально для мобильных процессоров компания выпускает ядро Griffin на доработанной архитектуре K8+. От K10 последняя унаследовала поддержку HyperTransport 3.0 и улучшенное управление питанием. Два ядра с 1 МБ кеша L2 на каждое сочетались с пиковой частотой 2.4 ГГц, энергопотребление при оставалось скромным — до 35 Вт. Чип стал основой экономичных мобильных процессоров Turion X2 Ultra.

Phenom II: K10.5

Изначально процессорами архитектуры K10 планировалось достижение высоких частот. Вкупе с увеличенным количеством инструкций за такт это должно было дать значительный прирост производительности. Однако этого не произошло, и замысел осуществили процессоры следующей, слегка улучшенной архитектуры — K10.5.

Новые ядра получили контроллер памяти с поддержкой двух видов ОЗУ — DDR2 и DDR3. Кристаллы стали производиться по более тонкому техпроцессу 45 нм, к четырехъядерному добавились еще две разновидности: флагманская шестиядерная и бюджетная двухъядерная. Процессоры получили новый сокет AM3, но при этом были совместимы с платами на AM2 и AM2+, если производитель выпустил для них обновленный BIOS. Однако, как и в прошлом поколении, при такой комбинации снижалась скорость шины HyperTransport. К тому же платы на старых версиях сокета поддерживали лишь память DDR2, а модели с AM3 использовали только DDR3.

Первым ядром нового поколения стал четырехъядерный Deneb. Процессоры на его базе были выпущены в январе 2009 года. Чтобы отличать старые и новые модели Phenom и Athlon, к названию ЦП добавили цифру II. Первые Phenom II обладали теплопакетом, аналогичным предшественникам, но при этом работали на куда более высоких частотах — до 3.7 ГГц. Несмотря на сохранившийся TDP, напряжение питания пришлось поднять до 1.3-1.4В. Кеш L3 был увеличен с 2 до 6 МБ. При наличии платы с сокетом AM3 процессоры могли использовать до 16 ГБ ОЗУ DDR3-1333.

Помимо четырехъядерных и трехъядерных моделей, в этом поколении появились и более простые двухъядерные процессоры линейки Phenom II X2. Athlon напротив обрели более производительные версии в виде четырехъядерных Athlon II X4 и трехъядерных Athlon II X3 — то есть теперь различий в количестве ядер между двумя линейками не было. Основное отличие между Phenom II и Athlon II заключалось в отсутствии кеша третьего уровня у последнего, что несколько снижало производительность в ряде задач.

В июне 2009 года было выпущено упрощенное ядро Regor. Кеш L3 в нем отсутствовал, зато объем кеша L2 увеличили до 1 МБ на ядро. Кристалл послужил основой некоторых двухъядерных моделей Athlon II X2, редких одноядерных Athlon II, а также бюджетных Sempron, в линейке которых теперь были модели с одним и двумя ядрами.

В апреле 2010 года был представлен топовый шестиядерный чип Thuban. В нем впервые была реализована технология динамического повышения частоты AMD Turbo Core, аналогичная конкурентному Turbo Boost от Intel. C ее помощью шестиядерные модели Phenom II X6 могли достигать потолка в 3.7 ГГц при 3.3 ГГц базовой частоты. Помимо них, на базе того же кристалла были представлены модели с двумя отключенными ядрами, которые вошли в линейку Phenom II X4. TDP кристалла не превышал 125 Вт.

Еще в 2008 году AMD анонсировала свое видение платформы Fusion, где центральный и графический процессор расположены на одном кристалле и имеют общий доступ к памяти — компания назвала их APU. Однако первые чипы со встроенной графикой в рамках платформы и нового сокета FM1 с 904 контактами были выпущены только в 2011 году. Процессорная часть чипов под кодовым названием Llano основана на архитектуре K10.5, а графическая — на архитектуре TeraScale 2, ставшей основой видеокарт AMD серии HD 5000.

Кристалл APU производился по техпроцессу 32 нм и содержал в себе до четырех ядер. Кеш L2 составил 1 МБ на ядро, но кеш L3 при этом отсутствовал. Пиковая частота ядер составила скромные 3 ГГц, а TDP не превышал 100 Вт. В отличие от производительных платформ AM2 и AM3, компоненты северного моста и контроллер PCI-E были интегрированы в процессор, вследствие чего в качестве чипсета на платах FM1 остался лишь южный мост.

Поддерживалась двухканальная память DDR3 с частотой до 1866 МГц. Модельный ряд состоял из процессоров серий A8, A6 и A4 серии 3000, отличавшихся как количеством процессорных ядер, так и конфигурацией блоков встроенной графики. Процессоры с отключенным видеоядром на базе того же кристалла получили уже привычные названия Athlon II и Sempron.

Успех продуктов AMD на архитектуре K8 померк после выхода процессоров Intel Core. Попытка восстановить былые позиции с помощью первых процессоров на K10 тоже была не очень успешной. И только обновленные ЦП на K10.5 помогли продуктам компании вернуть конкурентоспособность. Но из-за следующей процессорной архитектуры AMD череда падений вновь продолжилась, вследствие чего Intel надолго стала лидером рынка.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...

Несмотря на малое потребление процессоров, в паре с ними использовались обычные чипсеты со встроенной графикой, что сводило на нет это преимущество — при процессоре с потреблением 2-3 Вт чипсет мог потреблять в 5-6 раз больше. В связи с этим было разработано второе поколение процессоров под названием Pineview, выпущенное в начале 2010 года. Его особенностью стали перенесенные внутрь чипа компоненты северного моста — встроенная графика и контроллер памяти. TDP новых чипов достиг 6.5 Вт, но он был куда ниже прошлой связки процессора и чипсета, потребляющей до 15-20 Вт.

Модели нового семейства N4x0 получили поддержку памяти DDR2-667. Двухъядерные модели серий D400 и D500 поддерживали память DDR2-800 и потребляли до 10 Вт. Они же стали первыми моделями в линейке с поддержкой 64-битных вычислений. Позже выпускаются усовершенствованные модели серии N4x5 и N500, обладающие одним и двумя ядрами соответственно. Их главным отличием от предшественников является поддержка памяти DDR3-667.

В 2011 году архитектура переносится на 32 нм техпроцесс и получает название Saltwell. Процессоры под кодовым названием Cedarview обзаводятся новым графическим ядром на базе PowerVR. Обновленный ассортимент содержит только двухъядерные модели. TDP снизился до 6.5 Вт. Улучшенный контроллер памяти получает поддержку более быстрого режима DDR3-1066. 

Спустя два года Intel решает переработать Bonnell с целью повышения производительности и более высокого уровня интеграции чипов. Результатом становится архитектура Silvermont, главным улучшением которой стало возвращение поддержки внеочередного исполнения команд, позволившей добиться полуторакратного прироста производительности. Это потребовало усложнения вычислительного ядра, поэтому от технологии Hyper-Threading решено было отказаться.

Взамен процессоры обзавелись новыми инструкциями SSE 4.2, более производительной встроенной графикой поколения Ivy Bridge, а также двухканальным контроллером памяти DDR3L. Появилась и поддержка автоматического повышения частоты, по работе аналогичная технологии TurboBoost. Новые процессоры стали первыми системами на чипе компании — они не требовали внешних чипсетов для работы, все необходимое уже входило в состав кристалла ЦП. В соответствии с планами Intel, это расширяло сферу их применения: от мобильных телефонов до серверов, где не требуется высокая производительность на ядро.

Название Atom в этом поколении осталось только у смартфонных, планшетных, серверных и встраиваемых моделей. Процессоры для ноутбуков и десктопных компьютеров получили более привычные имена Celeron и Pentium, отличаясь между собой количеством ядер: два и четыре, соответственно. Процессоры вошли в семейство Bay Trail, поддерживают память частотой 1333 МГц и обладают пиковыми частотами до 2.66 ГГц. TDP составляет от 4 до 10 Вт.

В 2015 году второе поколение архитектуры Silvermont переносится на техпроцесс 14 нм и получает название Airmont. Ноутбучные и десктопные процессоры этого поколения входят в семейство Braswell. Основным улучшением является более производительная встроенная графика поколения Broadwell, а также снижение максимального энергопотребления до 6.5 Вт. Потолок тактовых частот процессоров остался неизменным, но стала поддерживаться более быстрая память DDR3L-1600.

2016 год принес новое, третье поколение экономичной архитектуры — Goldmont, позаимствовавшей некоторые элементы дизайна Skylake. Процессоры получили возможность исполнения трех инструкций за такт. Был улучшен предсказатель переходов, а также увеличены буферы работы с инструкциями. Благодаря произведенным улучшениям производительность на такт возросла до полутора раз. Помимо этого, новые процессоры получили обновленную встроенную графику поколения Skylake и поддержку двух поколений оперативной памяти: DDR3L/LPDDR3-1866 и DDR4/LPDDR4-2400. Максимальный TDP составил 10 Вт.

Год спустя Intel представляет Goldmont Plus — улучшенную версию прошлой архитектуры. Ее главными новшествами стали усовершенствованный предсказатель переходов, восемь исполнительных портов против шести у предшественника, в очередной раз увеличенные буферы инструкций. Поддержку памяти DDR третьего поколения убрали, а максимальные частоты достигли 2.8 ГГц. В 2019 году линейка обновляется новыми моделями, достигающими в пике 3.2 ГГц.

В 2020 году Intel запускает следующее поколение архитектуры под названием Tremont, производимой по технологии 10 нм. Важным изменением является новый шестиполосный декодер инструкций, состоящий из двух половин. Количество исполнительных портов увеличено до десяти. Улучшения позволяют исполнять процессорам до четырех инструкций за такт. Кроме того, увеличены размеры кешей L1 и L2, а также добавлен кеш L3. Используется более производительная встроенная графика поколения Ice Lake. Поддерживается память DDR4 и LPDDR4X с частотой до 2933 МГц. Архитектура становится гораздо сложнее и все более приближенной к Core, чем прошлые Atom.

При организации ядер отныне используется модульная схема с кластерами по четыре ядра. В 2020 году, задолго до появления гибридных Alder Lake, Intel проводит эксперимент и сочетает один такой кластер с производительным ядром архитектуры Sunny Cove. Результатом становятся две модели мобильных процессоров i3 и i5, впервые содержащие пять ядер: одно производительное и четыре энергоэффективных. Прочие модели все также относятся к семействам Celeron и Pentium и не содержат производительных ядер.

Последним поколением «атомной» архитектуры является Gracemont, представленная в конце 2021 года. Увеличены размеры кешей, количество исполнительных портов возросло до 17, появилась поддержка инструкций AVX и AVX2. Новые ядра могут исполнять до пяти инструкций за такт, и по производительности близки к ядрам архитектуры Skylake. 

В этой точке пути Core и Atom сходятся — как упоминалось ранее, процессоры двух последних поколений Alder Lake и Raptor Lake обладают ядрами, построенными на обеих архитектурах. Помимо роли малых ядер в упомянутых ЦП, на базе Gracemont выпускаются экономичные мобильные и встраиваемые процессоры Intel N-серии с количеством ядер от двух до восьми.

Продолжаем ретроспективу всех линеек процессоров Intel. В этот раз — с первого поколения процессоров Core и по наши дни.

1-е поколение Core: Nehalem

2-е и 3-е поколения Core: Sandy Bridge

4-е и 5-е поколения Core: Haswell

С 6-го по 10-е поколения Core: Skylake

11-е поколение Core: Sunny Cove

12-е и 13-е поколения Core: Golden Cove и Gracemont

Atom

1-е поколение Core: Nehalem

Несмотря на все достоинства Core 2, у платформы Socket 775 был явный недостаток в виде обмена данными с памятью через северный мост. Даже если забыть о проблеме увеличивающихся задержек, узким местом становилась шина FSB, пропускная способность которой была намного ниже пропускной способности ОЗУ. При таком «бутылочном горлышке» разрабатывать более быстрые процессоры для платформы было бессмысленно. 

Для устранения этой проблемы Intel адаптировала серверные наработки и выпустила свою первую высокопроизводительную HEDT-платформу — LGA1366. Процессоры получили новую архитектуру Nehalem, представляющую собой дальнейшее развитие Core. Ее главными новшествами стали контроллер памяти, интегрированный в кристалл ЦП, и возвращение технологии Hyper-Threading. Не менее важной новинкой можно считать и технологию TurboBoost, которая может динамически повышать частоту на некоторую величину, в зависимости от числа активных ядер — чем их меньше, тем выше может быть частота. В процессоры добавили кеш третьего уровня L3 объемом 8 МБ, а вот кеш L2 сократили до 256 КБ на ядро. Ко всему прочему, чипы новой архитектуры получили поддержку обновленного набора инструкций SSE4.2.

Первые процессоры с привычным и сегодня названием Core i7 под сокет LGA1366 были выпущены в 2008 году. Четыре ядра, в отличие от «склеек» Core 2 Quad, были размещены на одном 45-нм кристалле, что положительно повлияло на производительность и межъядерные задержки. Оперативная память DDR3 стала трехканальной и «общалась» с процессором напрямую, не используя чипсет. Для соединения с последним стала использоваться новая шина QuickPath Interconnect, обладающая пропускной способностью до 25.6 ГБ/c — в два раза больше, чем в самом быстром режиме у FSB. TDP моделей равнялся 130 Вт, а пиковая частота в бусте могла достигать 3.73 ГГц. Официально платформа может использовать до 24 ГБ ОЗУ, но при установке появившихся через несколько лет 8 ГБ модулей максимальный объем памяти может достигать 48 ГБ.

В 2009 году Intel выпускает массовую платформу для процессоров архитектуры Nehalem — LGA1156. Функции северного моста перекочевали под крышку процессора, что сделало ненужным внешнее соединение QPI. Отсутствие последнего позволило снизить TDP до 95 Вт. С южным мостом ЦП соединялись по новой шине DMI с пропускной способностью 1 ГБ/c в каждом направлении. Количество каналов памяти DDR3 сократилось до двух, предельный объем ОЗУ — до 16 ГБ. Серия процессоров расширилась моделями с различной производительностью и позиционированием. Помимо Core i7, появились и старшие Core i5 с четырьмя ядрами, но без технологии многопоточности. 

В 2010 году Intel переносит архитектуру на технологию производства 32 нм. Обновленный вариант получает название Westmere. Новый шестиядерный чип находит приют в HEDT-платформе LGA1366, а двухъядерный предназначен для массовой LGA1156. На базе последнего были представлены младшие процессоры серии Core i5 и Core i3. Модели обладают двумя ядрами с поддержкой HyperThreading. Отличие i3 от i5 в том, что первые не поддерживают TurboBoost. Максимальный TDP составил 73 Вт.

Эти процессоры впервые получили встроенную графику — до этого она находилась в северном мосту на материнской плате. Графика реализовывалась на отдельном кристалле, расположенном под крышкой ЦП. Помимо производительных серий, двухъядерные чипы легли в основу младших моделей без поддержки Hyper-Threading: десктопных и мобильных Pentium и Celeron.

2-е и 3-е поколения Core: Sandy Bridge

3 января 2011 года Intel представляет процессоры Core второго поколения на новой архитектуре Sandy Bridge. Несмотря на схожие с предшественниками названия, новинки и сама платформа LGA1155 значительно отличаются от них. Многие особенности, заложенные в этом поколении, используются в современных процессорах Core до сих пор.

Архитектура значительно переработана по сравнению с предшественником. Одним из главных новшеств стала быстрая кольцевая шина, соединяющая процессорные ядра, кеш L3 и встроенную графику, которая теперь находится в составе основного кристалла. Шина имеет ширину в 256 бит, скорость обмена данных по ней достигает 96 Гбит/c, что вчетверо быстрее соединений прошлого поколения. При такой топологии кеш используется как процессорными ядрами, так и графическим ядром. Благодаря новой шине стало возможным создавать процессоры с количеством ядер до 20, не опасаясь узкого места в виде скорости обмена между ними. 

Процессоры Sandy Bridge получили поддержку новых 256-битных мультимедийных инструкций AVX. Их задействование в соответствующем ПО при должной оптимизации способно значительно ускорить темп работы по сравнению с использованием 128-битных SSE. Были увеличены размеры буферов работы с инструкциями, был добавлен кеш L0 объемом в 1536 микроопераций. Шесть портов исполнения и усовершенствованный предсказатель переходов помогали более эффективно задействовать имеющиеся ресурсы. Платформа LGA1155 позволяет задействовать до 32 ГБ ОЗУ.

Технология TurboBoost улучшена до версии 2.0, позволяющей более эффективно повышать частоту с учетом потребляемой мощности. Контроллер памяти официально поддерживал все ту же DDR3-1333, но стал эффективнее и брал более высокие частоты в разгоне. Несмотря на прежний техпроцесс 32 нм, архитектурные улучшения и повышенные частоты давали прирост производительности от 10 до 20 % уже на старте.

Шина DMI обновилась до версии 2.0, которая удваивала пропускную способность между процессором и чипсетом. К сожалению, не обошлось и без ложки дегтя: отныне Intel заблокировала разгон всех процессоров, кроме специальных K-версий с разблокированным множителем, да и без топового чипсета для разгона стало не обойтись. Впрочем, такие версии разгонялись знатно — с предельных штатных 3.8 до 5 ГГц и выше.

Линейка новых процессоров включала в себя уже привычные названия: i7, i5, i3, Pentium и Celeron. От предыдущего поколения она отличалась тем, что десктопные процессоры i5 перестали делиться на двух- и четырехъядерные: теперь двумя ядрами обладали только мобильные представители линейки. Также процессорам немного урезали кеш L3: с 8 до 6 МБ для Core i5, и с 4 до 3 МБ у Core i3. Младших моделей Pentium и Celeron стало гораздо больше в ассортименте. Важную роль в этом моменте сыграла встроенная графика: теперь она была у всех представителей семейства, а не только у младших, как в прошлой линейке. Забегая вперед, можно отметить, что линейка процессоров с такими характеристиками, не считая мелких изменений, сохранится у Intel до седьмого поколения Core включительно.

В 2012 году Intel переносит архитектуру на техпроцесс 22 нм, снизив TDP топовых процессоров с 95 до 77 Вт. Обновленная версия получает название Ivy Bridge. Главным новшеством третьего поколения процессоров становится поддержка третьего поколения шины PCI-E против второго у предшественника, а также новая встроенная графика и более быстрая память DDR3-1600. Хотя микроархитектура подверглась некоторой оптимизации, производительность на такт практически не возросла. Модельный ряд остался неизменным. 

В том же году компания выпускает свою вторую HEDT-платформу для энтузиастов — LGA2011. Под нее также были выпущены как 32 нм процессоры Sandy Bridge, так и 22 нм Ivy Bridge годом позже. Оба семейства имеют процессоры с четырьмя и шестью ядрами c поддержкой многопоточности, но без интегрированной графики. Эти ЦП обладают встроенным четырехканальным контроллером памяти DDR3-1600 и поддерживают PCI-E 3.0 — в отличие от массовой платформы с 16 линиями, здесь их количество может достигать 40. Различные модели имеют TDP от 130 до 150 Вт, максимум ОЗУ составил 64 ГБ.

4-е и 5-е поколения Core: Haswell

В 2013 году Intel представляет миру новую архитектуру процессоров Core четвертого поколения — Haswell. Специально для нее разрабатывается платформа LGA1150. В этом поколении компания поставила одной из главных целей создать более экономичные процессоры для ноутбуков, поэтому уделила много внимания энергосбережению. По этой причине с материнской платы под крышку процессора был перенесен преобразователь напряжения.

Главным нововведением стала поддержка новых 256-битных мультимедийных инструкций AVX2, а также FMA — инструкций умножения-сложения. Количество исполнительных портов было увеличено с шести до восьми, что позволяло более эффективно задействовать новые инструкции параллельно с обычными вычислениями. Это изменение также положительно повлияло на технологию Hyper-Threading, повысив эффективность её работы.

У процессоров четвертого поколения были увеличены размеры всех буферов для работы с инструкциями, за счет чего возросла точность предсказания. В два раза возросла скорость кешей первого и второго уровней, а кеш третьего уровня получил независимую от процессорных ядер частоту. Все процессоры серии получили обновленные видеоядра, а топовые мобильные модели с производительной графикой еще одну новинку — кристалл eDRAM объемом 128 МБ, работающий в качестве кеша четвертого уровня как для ЦП, так и для ГП.

При этом тактовые частоты остались практически неизменными и не превышали потолок 4 ГГц даже в бусте, за исключением единственной обновленной модели K-серии, выпущенной немного позже — у нее одно ядро разгонялось до 4.4 ГГц. Максимальный TDP составил 88 Вт. Изначальный рост производительности был около 5 %, но с развитием программного обеспечения, нуждающегося в быстрых кешах и использующего новые инструкции параллельно с обычными вычислениями, разница между двумя поколениями стала доходить до 15-20 %.

Следующим шагом «тик» стали процессоры пятого поколения под кодовым названием Broadwell, выпущенные в начале 2015 года и перенесенные на технологию производства 14 нм. Благодаря ей архитектура стала еще более энергоэффективной. Вдобавок к этому, были немного увеличены объемы буферов для работы с инструкциями и слегка доработан блок операций с плавающей запятой. Главным изменением стала более производительная встроенная графика.

Как и у предшественника, топовые модели оснащались кристаллом eDRAM, две из них этот появились и в десктопных процессорах. Несмотря на практически идентичную архитектуру, большой кеш L4 позволил новинкам заметно обгонять предшественников в играх и других чувствительных к кешу приложениях. При этом частоты из-за дополнительного кристалла под крышкой пришлось снизить — максимальный буст составлял всего 3.7 ГГц, но и TDP при этом был снижен до 65 Вт.

Помимо пары топовых, других моделей под платформу LGA1150 выпущено не было. Вместо этого чипы Broadwell получили широкое распространение в мобильном сегменте, хотя откровенно бюджетных ЦП в их ассортименте нет: Pentium и Celeron они обошли стороной. К привычным i3, i5 и i7 были добавлены процессоры серии Core M, являющиеся решениями с ультранизким энергопотреблением для легких ноутбуков и планшетов.

В 2014-2016 годах процессоры четвертого и пятого поколений с количеством ядер более четырех нашли приют в новой HEDT-платформе LGA2011-v3. Несмотря на одинаковое количество ножек, сокет несовместим с предыдущим и реализует поддержку новой четырехканальной памяти DDR4 вместо DDR3 у предшественника. Встроенной графики, как и прежде, нет. На этой платформе процессоры архитектуры Haswell получают от шести до восьми ядер, а архитектуры Broadwell — до 10. Количество линий PCI-E 3.0 не изменилось. Максимум ОЗУ расширился до 128 ГБ, а TDP моделей составил 140 Вт.

С 6-го по 10-е поколения Core: Skylake

В сентябре 2015 года Intel представляет процессоры следующей процессорной архитектуры Skylake вместе с новой платформой LGA1151. В этот раз компания решила попробовать усидеть на двух стульях, называя новую архитектуру самой эффективно масштабируемой за всю историю Core — то есть подходящей как для ультраэкономичных мобильных, так и для производительных десктопных и серверных решений.

Несмотря на то, что поддержка новых 512-битных инструкций AVX-512 появилась только в серверных и HEDT-процессорах этой линейки, повысить производительность частично помогли именно сопутствующие ей внутренние изменения. Как и в случае с Haswell, для быстрой работы инструкций увеличили размеры всех буферов, и ускорили кеши — в этот раз L2 и L3. В результате скорость работы AVX2 и FMA увеличилась на 20-30 %. Хотя преобразователь напряжения в этом поколении вновь вернулся на материнскую плату, а частоты буста не превышали 4.2 ГГц, тепловыделение процессоров несколько повысилось и достигло 91 Вт.

Контроллер ОЗУ в процессорах шестого поколения поддерживает возможность работы с одним из двух видов памяти — как DD3L-1600, так и более быстрой DDR4-2133 с максимальным объемом до 64 ГБ. Архитектурные изменения вкупе с более быстрой памятью сделали процессоры нового поколения на 5-10 % быстрее предшественников. Важной особенностью стал переход на шину DMI 3.0 между процессором и чипсетом. В его результате его пропускная способность канала выросла с 2 до 3.9 ГБ/c, что открывало доступ к более быстрым накопителям и большему количеству периферийных устройств. Кристалл eDRAM в этом поколении получил две разновидности — 64 и 128 МБ, но стал привилегией исключительно топовых мобильных решений. Встроенные видеоядра нового поколения получили небольшой рост производительности и поддержку новых функций.

В 2016 году Intel обновила свое представление стратегии «тик-так». Шаг «тик» все также означает уменьшение техпроцесса существующей архитектуры. А вот шагов «так» теперь стало два: первый означает переход на новую архитектуру, второй — ее оптимизацию. Дебютным вторым «таком» в начале 2017 года стали процессоры седьмого поколения  Core под кодовым названием Kaby Lake.

Новые процессоры не получили никаких, даже минорных, изменений внутри архитектуры. Все новшество заключалось в оптимизированном техпроцессе 14 нм второго поколения, который позволил на пару сотен МГц увеличить тактовые частоты, и поддержке чуть более быстрой памяти DDR4-2400. Единственным изменением в ассортименте стали новые процессоры Pentium. Обладая, как и ранее, двумя ядрами, они стали обрабатывать четыре потока благодаря технологии Hyper-Threading.

По идее, следующим шагом компании должен был стать «тик» с переносом старой архитектуры на новый техпроцесс. Изначально им должны были стать процессоры Cannon Lake на первом поколении 10 нм технологии. Однако производственные проблемы вынудили Intel вновь использовать старые добрые 14 нм, теперь уже третьего поколения. Восьмое поколение процессоров под названием Coffee Lake было представлено в сентябре 2017 года — всего спустя несколько месяцев после седьмого.

Как и следовало ожидать, архитектура Coffee Lake изменений не претерпела. Но в этот раз из-за обостряющейся конкуренции компания наконец решила увеличить предельное количество ядер массовой платформы с четырех до шести, что привело к изменению конфигурации основных линеек процессоров. i7 получили шесть ядер с поддержкой Hyper-Threading и 12 Мб L3 кеша, i5 — шесть ядер с 9 МБ кеша, и i3— четыре ядра с 6 МБ кеша. Конфигурация Pentium и Celeron осталась неизменной с прошлого поколения.

Новая платформа LGA1151 v2, используемая процессорами, не отличается от первой версии физически. Работа новых процессоров на «старушке» была заблокирована искусственно. По официальным заявлениям, старые платы были не способны обеспечивать нужную мощность питания новых шестиядерных процессоров. При этом энтузиасты нашли способ обойти это ограничение и использовать новые ЦП с платами первой версии сокета LGA1151.

Шестиядерные процессоры стали поддерживать более быструю память DDR4-2666, четырехъядерные и двухъядерные решения ограничили планкой прошлого поколения DDR4-2400. В процессорах Coffee Lake впервые применили PL1 и PL2 — лимиты потребления для долговременной и кратковременной нагрузки. Именно поэтому при TDP в 95 Вт флагманы серии способны были потреблять почти 120 Вт под кратковременной нагрузкой. Пиковая частота возросла до 4.7 ГГц, а у топового процессора юбилейной серии 8086K, названного в честь оригинального Intel 8086, достигла 5 ГГц при активности одного ядра.

Процессоры девятого поколения Core были выпущены в конце 2018 года и получили кодовое имя Coffee Lake Refresh. Что неудивительно, ведь «подросли» они лишь количественно. Топовые решения сменили названия на Core i9, обзавелись восемью ядрами с технологией многопоточности и 16 МБ L3-кеша, при этом потребляя до 180 Вт. В семейство Core i7 теперь входили восьмиядерные модели без Hyper-Threading c кешем объемом 12 МБ. Технологию Turbo Boost впервые разрешили использовать семейству Core i3, за счет чего разгоняющихся свыше 4 ГГц моделей в новой линейке стало гораздо больше. Благодаря обновленным материнским платам стало возможным использовать до 128 ГБ ОЗУ.

История архитектуры Skylake заканчивается на процессорах десятого поколения Core под кодовым названием Comet Lake, выпущенных в 2020 году. Использующие все тот же 14 нм техпроцесс третьего поколения, они получили увеличенное до 10 количество ядер и пиковые частоты вплоть до 5.3 ГГц. Все это сопровождалось сменой платформы на новую с сокетом LGA1200. Возросло и максимальное энергопотребление новинок — теперь оно могло доходить до 250 Вт.

Помимо флагманского Core i9 с 10 ядрами и 20 потоками, новая линейка отметилась новыми конфигурациями для процессоров, исключая младшие Pentium и Celeron. Все оставшиеся процессоры стали поддерживать технологию HyperThreading, что в два раза увеличило количество обрабатываемых потоков. Двум флагманским линейкам добавили поддержку технологии TurboBoost Max 3.0, которая еще агрессивнее повышает частоту одного активного ядра, и разрешили использовать память DDR4-2933. Для остальных процессоров пределом, как и прежде, является DDR4-2666. 

Параллельно массовой платформе процессоры архитектуры Skylake появились на HEDT-платформе нового поколения LGA2066, выпущенной в 2017 году. Как и у прошлой платформы, используется четырехканальная память DDR4, но с повышенными частотами — от 2400 МГц у младших до 2933 МГц у старших моделей. Несмотря на одинаковую архитектуру, эти процессоры отличаются от массовых поддержкой инструкций AVX-512 и новой ячеистой схемой межъядерных соединений, пришедшей на смену кольцевой шине. Для процессоров с большим количеством ядер она подходит больше, но негативно отражается на производительности некоторых приложений реального времени, в частности игр.

Всего под LGA2066 были выпущены три поколения процессоров на тепроцессе 14 нм третьего поколения. Линейка довольно обширна и простирается от базовых четырехъядерных моделей до монструозных процессоров с 18 ядрами и 36 потоками. В зависимости от позиционирования, у моделей разнится и количество линий PCI-E 3.0 – от 16 до 48. Максимальный TDP моделей составляет 165 Вт. Но в реальности процессоры серии могут потреблять больше, как и прочие многоядерные Skylake. 

LGA2066 на данный момент является последней высокопроизводительной платформой Intel. Вследствие дальнейшего развития новых архитектур и увеличения количества ядер на массовых платформах, разрабатывать новую HEDT для компании сейчас не в приоритете.

11-е поколение Core: Sunny Cove

Несмотря на то, что Skylake оставалась основной архитектурой Intel на протяжении более чем пяти лет, компания не раз пыталась доработать ее за это время. В десктопные процессоры улучшенные версии не попали, но тестовый полигон у компании все же был — им стали ноутбучные процессоры.

В 2018 году планировался перевод архитектуры Skylake на 10 нм техпроцесс. Такими решениями должны были стать процессоры семейства Cannon Lake. Но производственные проблемы и высокий уровень брака нового техпроцесса не позволили выпускать эти чипы массово, и в итоге свет увидел всего один двухъядерный мобильный чип с нерабочей встроенной графикой.

В конце 2018 года Intel представляет следующую за Skylake процессорную архитектуру: Sunny Cove. Впервые за много лет количество исполняемых за такт инструкций возросло с четырех до пяти, благодаря чему производительность должна была возрасти на 15-20 %. Количество исполнительных портов было увеличено до 10 штук. В полтора раза увеличены кеш микроопераций L0 и кеш L1, вдобавок ставший быстрее. В очередной раз были увеличены буферы для работы с инструкциями. Набор инструкций AVX-512 был расширен, и теперь его должны были получить все чипы, в том числе для массовых и мобильных платформ.

Первенцами новой архитектуры стали мобильные чипы Ice Lake, выпущенные в конце 2019 года. Десятинанометровая технология производства была усовершенствована, но все еще не позволяла производить высокочастотные процессоры с большим количеством ядер — максимальным стал четырехъядерный кристалл с пиковыми частотами в районе 4 ГГц. В результате, десктопные процессоры 10-го поколения остались на старой архитектуре, а вот мобильные перешли на новую. Помимо архитектурных улучшений, процессоры получили поддержку более быстрой памяти DDR4-3200 и LPDDR4-3733. Пригодилась такая память и для новой встроенной графики, частично она должна была компенсировать отсутствие кеша eDRAM — с этого поколения от него было решено полностью отказаться.

В сентябре 2020 года выходят новые мобильные чипы Tiger Lake, относящиеся к 11-му поколению Core. Архитектура была перенесена на второе поколение 10 нм техпроцесса под названием SuperFin и получила название Willow Cove. Усовершенствованный техпроцесс уменьшил процент брака и позволил создать более сложные восьмиядерные чипы с увеличенными частотами. Изменилась конфигурация кеш-памяти второго уровня для каждого ядра: инклюзивный кеш в 0.5 МБ сменил увеличенный неинклюзивный кеш объемом 1.25 МБ.

Одним из главных нововведений является поддержка шины PCI-E 4.0. Помимо 16 линий для видеокарты, впервые добавляются еще 4 линии для NVMe-накопителя. Поддержка LPDDR4 расширяется до памяти с частотой 4266 МГц. Не менее важным новшеством является встроенная графика нового поколения Intel Xe с собственным кешем объемом 3.8 МБ.

Несмотря на все достоинства, 10 нм чипы компании так и не смогли показать стабильности на высоких частотах. Поэтому для десктопов архитектура была перенесена на 14 нм нормы, в результате чего на свет появились процессоры 11-го поколения для LGA1200 — Rocket Lake, выпущенные в марте 2021 года. Сочетающие все преимущества мобильных предшественников, они смогли предложить более высокие пиковые частоты до 5.3 ГГц. К тому же, несмотря на использование все той же шины DMI 3.0 для связи с чипсетом, ее ширина увеличилась вдвое — с четырех полос до восьми.

В этом поколении не оказалось чипов семейств Core i3, Pentium и Celeron — младшими вариантами являются Core i5. Конфигурации ядер остальных моделей не претерпели изменений, за исключением старших Core i9, которые потеряли два ядра и стали восьмиядерными. Упразднилась и неактуальная для десктопных ЦП поддержка памяти LPDDR, оставив единственным вариантом ОЗУ DDR4 со скоростью до 3200 МГц.

12-е и 13-е поколения Core: Golden Cove и Gracemont

11-е поколение Core принесло немало новшеств. Но революционные изменения в строении центральных процессоров Intel начались именно со следующего, 12-го поколения Core, и процессоров Alder Lake на новой платформе LGA1700. С их приходом процессоры с архитектурой x86 впервые получили два типа ядер — производительные и энергоэффективные. Ядра отличаются не только частотой, но и архитектурой. Производительные построены на архитектуре Golden Cove — наследнике Sunny Cove со множеством улучшений. Энергоэффективные — на Gracemont, являющейся усовершенствованным продолжателем дела «атомной» архитектуры Tremont. 

Похожий подход достаточно давно используют ARM-процессоры в мобильных устройствах. Производительные ядра предназначаются в первую очередь для высокоприоритетных задач, энергосберегающие — для фоновых процессов. Также можно объединить усилия двух блоков ядер для решения одной задачи, требующей максимальное количество процессорных ресурсов. Управляет назначением задач планировщик под названием Thread Director. Процессоры лишились инструкции AVX-512, так как энергоэффективные ядра их не поддерживают.

Ядра Golden Cove получили достаточно много изменений. Декодеров микроопераций стало шесть, возросли размеры буферов для работы с инструкциями и объемы кешей, количество исполнительных портов увеличено с 10 до 12. Благодаря изменениям новые ядра стали способны выполнять до шести инструкций за такт. Произведенные улучшения поспособствовали росту однопоточной производительности, который составил около 20 %.

Но это не все, ведь в составе новых процессоров есть еще и энергоэффективные ядра. Технология HyperThreading у них не поддерживается, за счет чего топовые решения Alder Lake с 8 производительными и 8 энергоэффективными ядрами могут обрабатывать не 32, а лишь 24 потока одновременно. Пиковая частота производительных ядер составила 5.2 ГГц, энергоэффективных — 4 ГГц.

Впрочем, и такой конфигурации было достаточно, чтобы опередить прошлое поколение процессоров в многопоточных вычислениях до двух раз. Привычные линейки процессоров получили новые конфигурации с учетом двух типов ядер. У Core i9 стало по восемь ядер каждого типа, у Core i7 на четыре энергоэффективных ядра меньше. Core i5 серии K получили шесть быстрых ядер и четверку медленных. А вот обычные i5 и более младшие процессоры в этом плане изменений не получили — энергоэффективные ядра у них отсутствуют. Производятся процессоры по технологии Intel 7, которая является третьим поколением 10 нм техпроцесса компании. Несмотря на это, топовые модели могут потреблять до 241 Вт.

Помимо заметного повышения производительности, значительно расширились периферийные возможности процессоров. 16 линий PCI-E для слота видеокарты стали относиться к поколению 5.0, а шина DMI для связи с чипсетом обновилась до версии 4.0, тем самым удвоив пропускную способность. Процессоры нового поколения поддерживают два поколения памяти: DDR4-3200 и DDR5-4800, объем которой может доходить до 192 ГБ. Мобильные версии дополнительно поддерживают энергоэффективную память LPDDR5-5200 и LPDDR4-4266, количество производительных ядер у них ограничено шестью.

В конце 2022 года Intel представила обновленные процессоры Сore 13-го поколения под кодовым названием Raptor Lake, использующие все ту же платформу LGA1700. Несмотря на новое название, ядра не претерпели архитектурных изменений, прежним остался и техпроцесс. Изменения в этом поколении не качественные, а количественные: процессоры новой линейки получили больше энергоэффективых ядер. У топовых моделей Core i9 их теперь 16, у i7 и старших i5 — восемь, и даже у самых младших i5, ранее не обладавших ими, появилось четыре таких ядра. 

Из прочих новшеств можно отметить поддержку более быстрой DDR5-5200 и увеличение тактовых частот обоих видов ядер: производительных — до 6 ГГц, энергоэффективных — до 4.3 ГГц в пике. Тепловыделение флагманских моделей в этот раз достигло 253 Вт. На данный момент 13-е поколение Core является последним и самым актуальным из всех процессоров Intel.

Atom

И действительно, ведь помимо процессоров основной линейки, у Intel имеются и бюджетные модели «атомной» архитектуры. Но нет, мы про них не забыли, ведь у этих процессоров собственная история, и мешать ее с другими архитектурами компании было бы неправильно.

Ультраэнергоэффективные мобильные процессоры компании имеют двадцатилетнюю историю, начинающуюся с замедленных модификаций на базе ядер Pentium M. В 2007 году Intel выделила их в отдельную линейку, назвав A100 и A110. Процессоры производились по 90 нм техпроцессу и работали на частотах до 800 МГц, что делало их крайне медленными даже с учетом небольшого TDP — всего 3 Вт.

Видя такое положение дел, Intel решила максимально упростить архитектуру, чтобы при таком же низком потреблении достигнуть более высоких частот, но при этом не потерять совместимости с x86-кодом. Результатом стало архитектура Bonnell, увидевшая свет в 2008 году. Она лишилась поддержки изменения порядка инструкций и их и внеочередного исполнения, и в связи с этим была способна исполнять лишь две инструкции за такт. Для повышения производительности была добавлена поддержка технологии Hyper-Threading, а также поддержка инструкции SSE3. Несмотря на это, на одинаковой частоте Bonnell все равно в пару раз медленнее архитектуры Core.

Первые процессоры серии Atom серии Z500 под кодовым названием Silverthorne содержали единственное ядро и работали на частоте от 0.8 до 2.13 ГГц. При частоте шины в 400 или 533 МГц модели обладали 512 КБ кеша L2 и потребляли до 2.4 Вт. Поддерживался единственный канал памяти DDR2-533. Чуть позже были представлены процессоры серии N200, среди которых был вариант с ускоренной до 667 МГц шиной. Это семейство получило название Diamondville, и следом расширилось первой двухъядерной моделью серии — Atom 330. Аналогично Pentium D и Core 2 Quad, получилась она посредством «склейки» — под крышкой находилось два одноядерных кристалла. В связи с этим объем кеша L2 был удвоен, а TDP составил 8 Вт. 

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...

Продукция компании Intel наверняка знакома каждому, кто хоть раз пользовался персональным компьютером. В первую очередь это о процессорах: кремниевыми сердцами более чем двух третей компьютеров по всему миру являются именно ЦП Intel. В цикле больших материалов вспоминаем путь большого гиганта с самого начала: как развивались процессоры Intel и какие взлеты и падения ожидали их на протяжении более 50 лет. Часть первая, начало: с первых процессоров до легендарной архитектуры Core.

Хронология появления "ЦП Intel"

4-бит: 4004 и 4040

8-бит: 8008, 8080 и 8085

16-бит: 8086, 80186 и 80286

32-бит: 80386 и 80486

Pentium I-II-III: P5 и P6

Pentium 4: NetBurst

Core, начало: Core Duo и Core 2 Duo/Quad

4-бит: 4004 и 4040

В 1969 году с заказом к Intel обратился японский производитель калькуляторов Busicom. Для новой модели ему потребовалось 12 микросхем, каждая из которых должна была предназначаться для выполнения узкоспециализированных задач. В те годы такое было нормой — почти для каждой новой модели калькулятора разрабатывались собственные чипы. Универсальность отсутствовала, и это было крайне непрактично.

Один из сотрудников Intel предложил использовать вместо множества микросхем для расчетов центральный процессор, который самостоятельно будет выполнять все арифметико-логические функции. Идея была одобрена, и в проекте новой компоновки общее число микросхем сократили до четырех — это были центральный процессор, оперативная память, блок постоянной памяти и микросхема ввода-вывода. Разработка чипов по проекту началась в апреле 1970 года.

15 ноября 1971 микропроцессор Intel под кодовым названием 4004 вышел в свет. Помимо статуса первенца для компании, этот чип считается первым в мире коммерчески доступным однокристальным процессором. Четырехбитный ЦП производился по технологическим нормам 10 мкм. Чип мог работать на частоте до 740 кГц и состоял из 2300 транзисторов. Он имел 16 регистров и поддерживал 46 инструкций. Адресуемая память составляла 640 байт, а память для команд — 4 КБ.

Компания Intel предугадала роль микропроцессоров в развитии и минитюаризации будущих компьютеров, и выкупила авторские права на 4004 у Busicom. Несмотря на то, что 4004 не сыскал особой популярности и не бил рекорды продаж, именно с него начинается история современных однокристальных процессоров.

Год спустя компания выпускает улучшенного преемника 4004 под названием Intel 4040. Набор инструкций был расширен до 60, количество регистров — до 24, память команд — до 8 КБ. За счет большего числа контактов процессор получил поддержку прерываний. При всем этом 4040 был программно совместим с предшественником, неизменными остались техпроцесс и тактовые частоты. Процессор нашел применение в игровых устройствах и различных микроконтроллерах.

8-бит: 8008, 8080 и 8085

История появления первого 8-битного процессора компании под названием Intel 8008 в чем-то схожа с четырехбитным первенцем 4004. Изначально его разработку заказала компания Computer Terminal Corporation (CTC) для применения в своем новом терминале. Как и в случае с 4004, планировалось разместить компоненты на нескольких микросхемах, но история с предложением объединить их на одном чипе повторилась. Когда процессор был уже почти готов, CTC отказывается от проекта, ссылаясь на временную задержку и неудовлетворенность рабочими характеристиками. Договор между компаниями был разорван, и теперь Intel имела полное право продавать чип другим компаниям. После некоторых доработок изначального проекта, 1 апреля 1972 года был анонсирован микропроцессор Intel 8008, положивший начало 8-битной эре продуктов компании.

Помимо 8-битных регистров, процессор поддерживал 14-битную адресацию памяти, за счет чего мог использовать до 16 КБ ОЗУ. Как и предшественники, производился он по техпроцессу 10 мкм. Практически аналогичны четырехбитному собрату и тактовые частоты — до 800 кГц. Процессор нашел применение в калькуляторах, терминалах, автоматах по продаже напитков и таких миникомпьютерах, как Mark-8 и Scelbi-8N.

Ровно спустя два года, 1 апреля 1974 года, был представлен следующий процессор серии — Intel 8080. Адресация памяти была расширена до 16-битной, что позволило увеличить максимальное количество ОЗУ до 64 КБ. Система команд подверглась переработке: новый чип стал поддерживать до 80 различных инструкций. Однако он, как и предшественники, все также не умел выполнять операции умножения и деления — их приходилось реализовывать с помощью подпрограмм или применять внешние сопроцессоры-чипы Intel 8231 и 8232.

У 8080 значительно выросла тактовая частота — уже в первых экземплярах она составляла 2 МГц, а в более поздних доходила до 4 МГц. Это было заслугой нового 6 мкм техпроцесса. По утверждению компании, процессор был производительнее предшественника до 10 раз. Чип применялся в персональных компьютерах, одним из которых являлся Altair 8800, а также в устройствах управления уличным освещением, светофорах и прочем оборудовании.

Спустя еще два года Intel выпустила микропроцессор 8085, усовершенствованную модель на базе 8080. Был устранен главный недостаток предшественника — теперь чип требовал только одного источника питания +5В, тогда как предшественник нуждался в целых трех напряжениях: +5В, -5В и +12В. Процессор производился по более тонкой технологии 3 мкм, что дало возможность поднять тактовую частоту до 6 МГц в поздних реализациях. Вдобавок была немного расширена поддержка инструкций. Помимо персональных компьютеров, чип использовался во многих бортовых компьютерах космических аппаратов NASA. 

16-бит: 8086, 80186 и 80286

8 июня 1978 года компания выпускает первый 16-битный процессор Intel 8086. Архитектура команд, реализованная в процессоре, стала основой современной архитектуры x86 — той самой, которая и сегодня стоит в основе практически любого процессора, используемого в персональном компьютере или ноутбуке.

Помимо удвоенной шины данных, 8086 получил 20-битную адресацию памяти. Это позволяло использовать до 1 МБ ОЗУ, которые делились на 640 КБ основной и 384 КБ расширенной. Первые процессоры серии работали на 4 МГц, но со временем появились варианты, способные работать на частотах вплоть до 16 МГц. Как и 8085, чип производился по 3 мкм технологии.

Изначально 8086 использовался в промышленных системах. В компьютерах он был редким гостем, так как был очень дорог. Intel предвидела это, и еще на этапе разработки спроектировала упрощенный вариант чипа. Им стал 8088, вышедший годом позже и сохранивший основные преимущества старшего брата, но получивший урезанную с 16 до 8 бит внешнюю шину. Новая модель с прочими необходимыми микросхемами обходилась гораздо дешевле, поэтому быстро стала популярна в качестве основы для множества персональных компьютеров, самыми известными из которых являются IBM PC и IBM PC/XT.

Процессоры Intel 8086 и 8088 поддерживают 98 различных инструкций. Но для выполнения операций с плавающей запятой им требуется сопроцессор, как и прежде. В этом поколении компания впервые объединила арифметический процессор и процессор операций с плавающей точкой в одну микросхему Intel 8087. Ее выпустили ее в 1980 году. Специально для 8087 было разработано 60 новых инструкций, позже ставших основой для стандарта IEEE 754. В честь сопроцессора был назван набор инструкций для работы с математическими вычислениями x87.

Следующий процессор серии увидел свет в начале 1982 года. 80186 стал усовершенствованным вариантом модели 8086 и включал в себя два контроллера прямого доступа к памяти. В чип интегрировали множество различных вспомогательных микросхем, которые ранее распаивались отдельно. К набору команд прибавилось 17 новых.

Благодаря улучшенному 3 мкм техпроцессу удалось значительно снизить энергопотребление, что позволило создать как экономичные разновидности процессора, так и производительные с гораздо более высокой частотой до 25 МГц. Помимо настольных компьютеров, экономичные версии 80186 нашли применение в КПК. Как и 8086, 80186 получил и упрощенную разновидность с 8-битной внешней шиной — ею стал Intel 80188.

Разработка модели 80286 велась параллельно с 80186. Но, если 80186 является лишь усовершенствованным и более интегрированным решением, чем предшественник 8086, то изменения в 80286 куда глубже. Самым главным нововведением стал защищенный режим, который за счет изменения механизма адресации памяти позволяет адресовать до 16 МБ физической ОЗУ и до 1 ГБ виртуальной. Это позволило снять ограничения реального режима исполнения и избавиться от проблемы недостатка ОЗУ для сложных задач, но требовало изменений в программном обеспечении. Старое ПО все также могло использовать реальный режим, где адресовался максимум 1 МБ ОЗУ.

В связи с реализацией нового режима к 14 регистрам, передавшимся по наследству от 8086, добавили еще 11 новых. Набор инструкций также был расширен на 16 новых команд, многие из которых предназначались для управления памятью. Для нее 80286 получил 24-битную адресацию. 

Intel продавала лицензии на производство чипа, благодаря чему другие компании выпускали многочисленные клоны 80286, что поспособствовало его популярности. Техпроцесс 1.5 мкм позволил увеличить частоту с начальных 3 МГц до 25 МГц в поздних реализациях. Помимо всех преимуществ, которые давал расширенный режим, процессор превосходил 8086 в чистой производительности от трех до шести раз. Чип стал сердцем большого количества разнообразных компьютеров, одним из которых стал IBM PC AT.

32-бит: 80386 и 80486

Intel торопилась создать 32-битный процессор, ведя разработку параллельно с 8- и 16-битными моделями. Анонс первой 32-битной модели состоялся уже в 1981 году. Чип iAPX 432 разрабатывался на новой архитектуре Intel Advanced Performance, которая должна была стать заменой x86. Система команд процессора отличалась от предшествующей и была намного сложнее.

Компания называла новый ЦП «микромейнфреймом», который предназначался для программирования на языках высокого уровня с аппаратной поддержкой многозадачности и управления памятью. Каждая команда для него может содержать внутри себя несколько команд и операндов. К сожалению, сложная архитектура и низкая производительность в ряде задач были «палками в колесах» нового чипа. Было невозможно создать эффективную реализацию, используя полупроводниковые технологии того времени. Тестовые образцы состояли из двух чипов, при этом процессор получился очень дорогим и медленным, вследствие чего так и не попал в массовое производство.

Первым массовым 32-битным процессором компании в 1985 году стал Intel 80386. При совместимости с программным обеспечением для предшественников, внутреннее устройство архитектуры x86 было серьезно доработано. Стали использоваться 32-битные регистры, шина данных с аналогичной шириной и такая же адресация физической памяти. Благодаря этому стало возможным избавиться от сегментации памяти, которая была ограничением еще со времен 8086.

Модель получила новый способ управления памятью — страничное преобразование. Максимальный объем поддерживаемой физической памяти достиг 4 ГБ, а виртуальной, благодаря 46-битной адресации, целых 64 ТБ. Помимо этого, была улучшена поддержка многозадачности и добавился виртуальный режим, предназначенный для выполнения старых программ реального режима под операционной системой, использующей защищенный режим. Набор команд был расширен в основном новыми 32-битными вариантами существующих 16-битных инструкций — их общее количество теперь составляло 150.

В серию 80386 вошли несколько моделей процессоров с частотой от 12 до 40 МГц. Изначально был выпущен полноценный 386DX, и только через несколько лет его упрощенные версии — 386SX (1988), 386SL (1990) и 386EX (1994). Они довольствовались внешней 16-битной шиной и ограниченной адресацией памяти: 24 или 26 бит. При производстве различных моделей применялись технологии 1.5 и 1 мкм.

Разновидности Intel 80386 были довольно популярны на протяжении нескольких лет, и лишь в 1989 году компания представила его последователей — процессоры серии 80486. В чипы был впервые интегрирован математический сопроцессор FPU и кеш-память первого уровня L1 объемом 8 или 16 КБ, а также были добавлены новые инструкции для работы с ней. Ранее располагавшаяся на материнской плате микросхема кеш-памяти тоже осталась, но теперь выполняла функции кеша второго уровня L2.

Самым главным нововведением стало использование множителей. Теперь частота процессора не была равна частоте его шины, а определялась коэффициентом умножения. Это позволило значительно увеличить производительность за счет роста тактовой частоты, которая в поздних моделях могла достигать планки в 100 МГц. Помимо отличающихся частот, модели серии делились на полноценные DX и урезанные SX. У последних встроенный FPU был отключен в кристалле или полностью отсутствовал.

В этом поколении процессоры обзавелись сокетным исполнением PGA, распаивались на плате теперь в основном вариации ЦП для встроенных систем. Изначально использовался Socket 1 со 169 контактом, позже стали доступны варианты для Socket 2 и его усовершенствованной версии Socket 3 с 237/238 контактами. Первые чипы серии производились по технологии 1 мкм, более поздние перешли на усовершенствованный 0.6 мкм техпроцесс.

Pentium I-II-III: P5 и P6

Изначально Intel собиралась назвать пятое поколение процессоров 586, но не смогла зарегистрировать цифры в качестве торговой марки, чтобы обезопасить себя от появления различных клонов ЦП. Поэтому в качестве названия было выбрано «Pentium», происходящее от древнегреческого πέντε, что значит «пять».

Pentium первого поколения были представлены 22 марта 1993 года. Главным новшеством семейства процессоров стала суперскалярная архитектура P5. Процессоры обзавелись двумя конвейерами, за счет чего могли выполнять две инструкции за такт одновременно — правда, для этого старым программам требовалась перекомпиляция. Для более эффективной работы суперскалярности был внедрен механизм предсказания адресов ветвления.

Не менее важным нововведением стала 64-битная шина данных, которая позволила в два раза ускорить обмен информацией с ОЗУ. Другим новшеством в подсистеме памяти стало разделение кеша L1 на две одинаковые части: для данных и для инструкций. Его общий объем при этом составил 16 КБ. Математический сопроцессор FPU получил ряд улучшений, которые значительно ускорили исполнение некоторых инструкций.

В 1997 году на смену изначальной модели пришел Pentium MMX — усовершенствованная версия процессора с поддержкой 64-битных мультимедийных инструкций MultiMedia eXtension. Благодаря ей обновленные ЦП стали значительно быстрее в мультимедийных приложениях: при должной оптимизации ПО ускорение могло превышать полуторакратное. Набор MMX добавлял 57 новых инструкций, и для более эффективного их исполнения кеш L1 был увеличен до 32 КБ.

Первые Pentium использовали в качестве напряжения питания 5 В, но уже с выходом второй волны моделей оно было понижено до 3.3 В. У моделей с MMX напряжение снизили до 2.8 В. В связи с этим менялся и процессорный разъем. У первых моделей использовался Socket 4 с 273 контактами, у более поздних — Socket 5 и Socket 7 с 320/321 контактами. Помимо этого, выпускались специальные модели Pentium Overdrive с 32-битной шиной и встроенным преобразователем напряжения для модернизации старых систем на Socket 2 и Socket 3.

Изначально представленные модели работали на частоте 60 и 66 МГц, более поздние могли похвастаться частотой до 233 МГц. В процессе эволюции различные модели производились по разным техпроцессам: 800, 600, 350 и 280 нм. Pentium стали первыми массовыми процессорами с довольно большим тепловыделением TDP — до 16 Вт. Из-за этого им стало требоваться активное охлаждение с помощью вентилятора.

Параллельно с Pentium компания занималась разработкой другой процессорной архитектуры P6, впервые ставшей основой процессоров Pentium Pro, а позже и их последователей — Pentium II и III. Pentium Pro были анонсированы в конце 1995 года как процессоры для серверов и рабочих станций. Они официально поддерживали многопроцессорную конфигурацию — до четырех ЦП в одной системе. Специально для процессоров был разработан новый Socket 8, содержавший 387 контактов.

Архитектура P6 значительно отличается от более ранней P5. Сердцем Pentium Pro является RISC-ядро, исполняющее сложные инструкции не напрямую, а предварительно декодировав их в более простые операции. Конвейер архитектуры имеет глубину в 12 стадий. В отличие от предшественников, ядро может изменять порядок выполнения инструкций благодаря новой технологии динамического исполнения. При этом количество исполняемых за такт инструкций возросло до трех.  Данные улучшения значительно увеличивают скорость вычислений в оптимизированном 32-битном программном обеспечении, несмотря на аналогичные обычному Pentium тактовые частоты — от 150 до 200 МГц. 

В процессор был впервые интегрирован огромный по меркам того времени кеш L2, который выполнялся в виде отдельного кристалла объемом 256 или 512 КБ. Позже были выпущены модели с двумя кристаллами кеша общим объемом 1024 КБ. Новинкой стала двойная независимая шина: FSB отвечает за связь ЦП с чипсетом, BSB — за связь ЦП с кешем L2, что позволило увеличить пропускную способность и избавиться от «узких» мест. Из-за многокристальной компоновки тепловыделение процессора значительно повысилось, и, несмотря на техпроцесс 500 нм (а позже и 350 нм), составляло от 30 до 47 Вт.

Pentium Pro сложно назвать массовым процессором. Он был очень дорог, имел проблемы с производительностью в 16-битных приложениях и не поддерживал технологию MMX, все больше набирающую обороты в мультимедийном ПО. Эти проблемы Intel решила в 1997 году запуском следующего процессора серии — Pentium II.

В основе Pentium II лежит доработанное ядро Pentium Pro. Производительность 16-битного кода была повышена, кеш L1 увеличен с 16 до 32 КБ. Процессор отказался от сокетного исполнения и заключался в специальный картридж с собственной платой. Помимо самого ЦП на ней распаивались микросхемы кеш-памяти L2. Это удешевляло конструкцию по сравнению с интеграцией второго кристалла рядом с ядром, как в Pentium Pro. Разъем получил название Slot 1 и содержал 242 контакта. Для модернизации систем на Pentium Pro были выпущены процессоры Pentium II Overdrive, предназначенные для установки в Socket 8.

Тактовые частоты различных моделей Pentium II составляли от 233 до 450 МГц. Первые десктопные процессоры серии, производимые по 350 нм техпроцессу, использовали напряжение питания 2.8 В, достигая TDP в 43 Вт. Для поздних версий на обновленном ядре стал использоваться более тонкий 250 нм техпроцесс. Напряжение снизили до 2 В, вместе с ним упала и мощность до 27 Вт. В этом поколении впервые появились мобильные разновидности чипов, предназначенные для ноутбуков. У них напряжение питания было понижено до 1.5-1.6 В.

Для конкуренции в бюджетном сегменте Intel представила процессоры Celeron, имеющие то же ядро, что и Pentium II, только без кеша L2 в картридже. Однако новинку ждал провал: без кеша во многих задачах она умудрялась уступать даже устаревшему Pentium MMX. Компания поняла ошибку и следующим шагом выпустила обновленные версии процессоров с кешем L2 в 128 КБ. Благодаря малому объему удалось интегрировать кеш в само ядро. В связи с таким расположением стало возможным поднять частоту его работы до частоты ядра. Это давало преимущество в производительности по сравнению с Pentium II в некотором ПО, особенно в играх — ведь у него кеш, хоть и больший по объему, работал лишь на половине этой частоты.

Эти наработки нашли применение в следующей серии процессоров – Pentium III, представленной в начале 1999 года. Первые модели все так же использовали Slot 1, однако уже вторая волна чипов получила интегрированный кеш L2 и исполнение Socket 370, с которого пошла традиция использовать названия по количеству контактов. Третье поколение Pentium все также основано на архитектуре P6, но впервые обзавелось новым набором 128-битных инструкций SSE. Помимо этого, значительно возросшие частоты — от 450 МГц до 1.4 ГГц — поспособствовали ощутимому приросту производительности по сравнению с предшественниками. 

Объем кеша L2 у различных моделей составлял от 256 до 512 КБ. Как и в прошлом поколении, помимо моделей Pentium были выпущены и Celeron, отличавшиеся более низкой частотой шины и урезанным кешем L2. На протяжении выпуска различных моделей совершенствовалась технология производства: сначала 250, потом 180, и, наконец, 130 нм. Вместе с техпроцессами снижалось и напряжение питания — с 2 В у первых моделей до 1.5 В у последних. Процессоры серии обладают TDP в диапазоне от 26 до 37 Вт.

Pentium 4: NetBurst

Архитектура P6 была достаточно успешной, но к концу 20 века между производителями процессоров все больше набирала обороты гонка тактовых частот. Intel сделала ставку именно на это при разработке новой архитектуры NetBurst, пожертвовав производительностью на такт. 20 ноября 2000 года был представлен первый процессор на новой архитектуре — Pentium 4.

Первая версия Netburst, применявшаяся в новинках, имела конвейер глубиной в 20 стадий — намного длиннее, чем 12 стадий в P6. Эта особенность дает возможность использовать более высокие частоты, но производительность начинает страдать сильнее при промахе кеша или неверно предсказанном переходе. Для смягчения этих явлений был внедрен новый алгоритм предсказания ветвлений и увеличен их буфер. Также было решено отказаться от применявшегося до этого кеша инструкций, заменив его на кеш микроопераций. Емкость последнего составила 12 000 микроопераций. Традиционный кеш L1 для данных при этом сохранился, добавилась поддержка инструкций SSE2.

Новшеством стала шина Quad Pumped Bus, передающая данные на скорости, в четыре раза превышающей ее физическую частоту. Уже первые модели обладали FSB частотой 400 МГц, у более поздних это значение достигало 800-1066 МГц. Такая реализация позволяет процессору значительно быстрее общаться с памятью и другими компонентами системы.

Архитектура изначально поддерживает технологию Hyper-Threading, представляющую одно физическое ядро как два логических, и тем самым позволяющую обрабатывать два потока вычислений одновременно. Впервые ее поддержка была задействована во втором поколении ядер под кодовым названием Northwood, чем они и отличаются от первой версии ядер под названием Wilamette.

А вот третье поколение ядер Prescott получило куда более глубокие изменения. Архитектура NetBurst была доработана, длина конвейера увеличилась еще больше — до 31 стадии. В связи с более длинным конвейером был в очередной раз улучшен предсказатель ветвлений и размеры кешей: L1 — с 8 до 16 КБ, L2 — с 512 до 1024 КБ. На одинаковой частоте с предшественником ядро стало медленнее, но это компенсировалось более высокими тактовыми частотами за счет новых техпроцессов. Помимо этого, появилась поддержка новых инструкции SSE3.

Первыми 64-битными процессорами компании стали ЦП серверного семейства Itanium, выпущенные в 2001 году. Однако они были основаны на архитектуре IA-64, несовместимой с x86. Массовые процессоры пошли по другому пути и стали использовать 64-битное развитие архитектуры x86 под названием x86-64, разработанное AMD. Именно Prescott стал первым поколением ядер x86 компании Intel, получившим поддержку 64-битных вычислений. Благодаря этому удалось преодолеть барьер в 4 ГБ оперативной памяти, свойственный более ранним процессорам. 

Помимо Pentium 4, в этом и предыдущих поколениях ядер архитектуры NetBurst выпускались также бюджетные процессоры Celeron, утратившие поддержку Hyper-Threading и обладавшие меньшим кешем L2: 128 КБ в первых двух поколениях и 256 КБ — в третьем.

Для первых процессоров Pentium 4 был разработан Socket 423, более поздние получили исполнение Socket 478. На обоих сокетах выпускались платы с поддержкой памяти ОЗУ типа SDRAM. На Socket 478 изначально появилась поддержка дорогой и не получившей успех памяти RDRAM, а чуть позже — популярной массовой DDR первого поколения, вместе с которой в массовые платформы впервые пришел двухканальный режим ОЗУ. Поздние Pentium 4 выпускались для Socket 775 с исполнением LGA — контактными площадками в сокете, в отличие от более старых PGA, предназначенных для процессоров с контактными ножками. Платы для нового сокета оснащались поддержкой памяти DDR1 или DDR2.

Чем дальше развивалась архитектура NetBurst, тем горячее становились процессоры, несмотря на совершенствование технологических норм производства. Модели, основанные на Wilamette, производились по 180 нм технологии, работали при напряжении около 1.7 В и выделяли до 100 Вт тепла. Pentium 4 на базе Nothwood использовали 130 нм техпроцесс и пониженное до 1.4-1.5 В напряжение, но тепловыделение при этом могло доходить до 134 Вт. Топовые 90-нм Prescott при напряжении 1.4 В потребляли до 151 Вт — после 20-30 Вт у Pentium III эти значения выглядели пугающе. Такая цена была платой за повышение частот: первые модели работали максимум на 2 ГГц, модели второго поколения — 3.4 ГГц, последние достигали 3.8 ГГц.

Изначально в планах Intel было увеличение частот до 10 ГГц. Но, столкнувшись с невозможностью преодолеть барьер в 4 ГГц в серийных моделях, было решено сделать ставку на многоядерность. Два ядра Prescott объединили на одной подложке, результатом этой «склейки» стала линейка процессоров Pentium D — первых многоядерных массовых процессоров компании. Несмотря на немного сниженные частоты, отключенную технологию Hyper-Threading и техпроцесс 90 нм, процессоры получились такими же горячими и выделяли до 130 Вт тепла. 

Переход второй ревизии на 65 нм техпроцесс особых улучшений не дал. При этом двукратной производительности по сравнению с Pentium 4 они не показывали — ПО того времени не было настолько оптимизировано под многопоток. Но в недрах Intel уже разрабатывались следующая процессорная архитектура, ставшая революционной и отличившаяся высоким ростом как однопоточной, так и многопоточной производительности — Intel Core.

Core, начало: Core Duo и Core 2 Duo/Quad

Архитектура Core базируется на наработках мобильных чипов Pentium M, ядро которых, в свою очередь, основано на ядре Pentium III с архитектурой P6. Несмотря на присутствие на рынке мобильных Pentium 4, в 2003 году Intel решила развивать P6 для ноутбучных моделей процессоров как менее прожорливую и более производительную альтернативу.

Pentium M вобрал в себя лучшее от Pentium 3 и Pentium 4. Архитектура первого в сочетании с Quad Pumped Bus и L2-кешем объемом 1 МБ от второго позволили заметно обгонять по производительности на одной частоте горячие Pentium 4, при этом обходясь небольшим энергопотреблением всего в 20-30 Вт. Видя успех мобильных чипов и тупик в развитии Pentium 4, Intel использует свои наработки и выводит на рынок новую архитектуру — Intel Core. 

В начале 2006 года компания выпускает две линейки новых мобильных процессоров — Core Duo и Core Solo. Процессоры Core Duo представляют собой два ядра в едином чипе без склеек, что позволило использовать общий кеш L2. Кеш L1 составляют две равные половины по 32 КБ, одна из которых предназначена для инструкций, другая – для данных. Конвейер процессоров имеет глубину в 14 стадий, за такт исполняются до четырех инструкций. По сравнению с Pentium M была добавлена поддержка памяти DDR2 и инструкций SSE3, а также увеличена частота шины FSB. Core Solo — бюджетные варианты, у которых одно ядро отключено.

В середине того же года архитектура добирается до десктопа, попутно получив усовершенствования в виде поддержки 64-битных вычислений. Первые двухъядерные модели Core 2 Duo на ядре Conroe производятся по 65 нм техпроцессу, имеют до 4 МБ кеша L2 и достигают частоты 2.67 ГГц с шиной в 1066 МГц. При TDP 65 Вт, в два раза меньшем, чем у Pentium 4 и Pentium D, в различных задачах процессоры обгоняют предшественников архитектуры NetBurst от двух до трех раз. При этом сокет и тип ОЗУ у новых процессоров остался прежним — DDR2 и Socket 775, хотя они и требовали новых материнских плат. Платами диктовался и максимальный размер ОЗУ — 8 ГБ.

Разгонный потенциал — отличительная особенность всех процессоров архитектуры Core. Благодаря ему с помощью младших моделей часто удавалось догнать старшие. При этом какое-то неординарное охлаждение не требовалось благодаря низкому тепловыделению. После выхода первых моделей Core 2 Duo компания анонсирует стратегию «тик-так»: разделение циклов разработки на две части, каждая из которых должна занимать около года. «Тик» является уменьшением техпроцесса производства на основе существующей микроархитектуры. «Так» — выпуск процессоров новой микроархитектуры на основе существующего техпроцесса, которым и были первые Core 2 Duo.

В начале 2007 года выходят первые четырехъядерные процессоры компании — Core 2 Quad, представляющие собой склейку из двух кристаллов Conroe с TDP в 105 Вт. 

Выпускаются новые чипсеты, поддерживающие два типа памяти: DDR2 и DDR3, применение которой позволяло расширить ОЗУ до 16 ГБ. Intel воскрешает старые бренды и расширяет ассортимент процессорами Pentium и Celeron. Новые модели используют архитектуру Core и отличаются от старших Core 2 Duo меньшими объемами кешей и более низкой частотой.

В 2008 году Intel в качестве шага «Тик» переносит процессоры семейства на 45 нм техпроцесс, попутно повысив частоты, увеличив размеры кешей и добавив поддержку инструкций SSE 4.1. Новые Core 2 Duo на базе кристалла Wolfdale получают стоковые частоты до 3.33 ГГц, шину частотой 1333 МГц и до 6 МБ кеша L2. Линейка Core 2 Quad разрастается: топовые модели удваивают возможности кристалла Wolfdale, более простые представляют двукратные возможности относительно бюджетных моделей Core 2 Duo, при этом вписываясь в 95 Вт тепловыделения.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...