Блог

Тепловой поток в процессорах - часть 4

Раз уж из раза в раз (часть 1, часть 2, часть 3) мы возвращаемся к Pentium 4 - давайте наконец рассмотрим его подробнее и проследим его развитие.

Первое, что стоит отметить - это постепенное увеличение емкости кэша второго уровня: если изначально архитектура NetBurst предполагала всего 256 КБ L2-кэша, то последнее ядро CedarMill имело 2048 КБ, что в 8 раз больше родоначальника.
Второе - увеличение емкости кэша второго уровня вдвое не позволяет компенсировать уменьшение размеров транзисторов при смене тех.норм производства - несмотря на более емкий кэш, ядро Northwood имеет значительно меньшую площадь, чем Willamette. Именно сокращение площади увеличило тепловой поток вдвое в новом 130нм ядре, при этом даже если бы уровень TDP остался на прежнем уровне, Northwood имел бы тепловой поток, превышающий 0,5 Вт\мм². Аналогичная ситуация и при переходе с Northwood на Prescott - кэш стал вдвое больше, но это не позволило скомпенсировать уменьшение размеров транзисторов, еще раз подняв уровень теплового потока.
Третье - тепловой поток у архитектуры NetBurst постоянно рос, поэтому даже если бы у Intel не было проблем с достижением 4 ГГц, вряд ли стоило бы рассчитывать на ее дальнейшее развитие без существенной переработки, которая либо сократила TDP, либо увеличила площадь кристалла. Пожалуй, самым позитивным в плане теплового потока и эволюции NetBurst было ядро Prescott2M, так как только оно снизило тепловой поток, остальные - его только повышали (здесь рассматривается только тенденция увеличения/сокращения показателя теплового потока без учета его абсолютного значения). Снижение теплового потока было достигнуто с помощью увеличения емкости кэша второго уровня без изменения TDP и тех.норм производства, что позволило значительно снизить тепловой поток - с 1,03 до 0,85 Вт/мм².
Переход на 65нм тех.процесс без увеличения емкости кэша сильно сократил площадь кристалла, подняв тепловой поток свыше 1 Ватта на квадратный миллиметр. Но по логике предыдущих переносов архитектуры NetBurst на более тонкие технологические нормы (Willamette-Northwood и Northwood-Prescott) в ядре CedarMill необходимо было увеличить кэш до 4 МБ. Но этого не произошло (скорее всего по причине отсутствия необходимости - на горизонте уже виднелись Conroe). Тем не менее у Intel был альтернативный путь развития, хоть и дорогой и малоэффективный - переход на трехуровневый кэш. Причем опыт производства подобных процессоров у Intel был - 130-нанометровое ядро Gallatin с площадью 237 мм², TDP 111 Ватт и тепловым потоком 0,47 Вт/мм².
Сравним Northwood и Gallatin, так как они производились по одному и тому же тех.процессу и, в принципе, имели одинаковое ядро с той лишь разницей, что у последнего был кэш третьего уровня с емкостью 2 МБ.

Таким образом, 2 МБ кэша третьего уровня увеличивает площадь на 81% или на 106 мм² при 130нм тех.процессе, то есть кэш занимает значительную часть ядра Pentium 4. При этом исходя из характеристик Prescott и Prescott2M, 1 МБ кэша при 90нм тех.процессе занимает 23 мм², то есть теоретически 2 МБ - 46 мм². Получается, что переход с 130нм на 90нм уменьшил площадь кэша вдвое. Но речь не об этом...поскольку опыт производства трехуровневого кэша у Интел был, и Gallatin показал отличное значение теплового потока, то ядро Prescott можно было сделать с трехуровневой организацией кэша: при сохранении той же пропорции L2 к L3 - 1 к 4 (как у Gallatin), емкость кэша третьего уровня составила бы 4096 КБ, а теоретическая площадь бы равнялась 204 мм², что дало бы тепловой поток на уровне 0,56-0,65 Вт/мм², то есть близкий к Northwood. Да - большой кристалл экономически менее выгоден, да - он сложнее в производстве, да - объем кэша третьего уровня получился бы огромным, да - прирост в большинстве приложений был бы мизерными, но тепловой поток был значительно меньше, что, возможно, позволило бы поднять тактовую частоту. Можно проследить дальнейшее развитие подобных процессоров: ядро Prescott2M при сохранении тех же пропорций имело бы кэш третьего уровня емкостью 8 МБ (такой же, как и у современных процессоров Intel), что увеличило бы его площадь примерно до 319 мм² (уровень Haswell-E и Piledriver) - тепловой поток при этом был бы равен примерно 0,4-0,52 Вт/мм². Если исходить из перехода с 90нм тех.процесса на 65нм, то такой монстр при переходе на 65нм сократил бы площадь до 191мм², тогда бы тепловой поток равнялся бы 0,45-0,70 Вт/мм², что опять таки на уровне Northwood. А ведь Northwood - неплохое ядро, которое уверенно конкурировало с Athlon XP. Но это лирика...
Таким образом, альтернативный путь существовал... но дорогой и малоэффективный (менее эффективный, чем отказ от NetBurst и переход на Conroe). Напоследок стоит отметить, что у Intel в начале 2000х был опыт не только в трехуровневом кэшировании, но и в производстве больших кристаллов с емким кэшем - Itanium 2 Madison 9M с емкость кэша второго уровня 9 МБ и площадью 432 мм²...
А фактически же Intel и AMD к этому и пришли - к большим кристаллам с трехуровневым кэшированием с большой емкостью кэша последнего уровня: топовые десктопные процессоры имеют площадь более 300 мм², причем AMD свои "большие" кристаллы продает относительно дешево. То есть верхушку мидл-энда и хай-энд можно было заполнить этими теоретическими монстрами. Причем, такой маленький тепловой поток, возможно, позволил бы таким Pentium 4 подобраться к 4 ГГц...
Продолжение следует...
Другие материалы по теме