14 лет назад 18 сентября 2004 в 4:23 67

Сейчас немодно иметь компьютер. Модно иметь десктоп, КПК и ноутбук, чтобы вся нужная информация – главная ценность постиндустриального общества – всегда была под рукой. Прелести подвижных коммуникаций и компьютинга были бы невозможны, если бы производители не вкладывали колоссальные средства в исследования и разработку специализированных мобильных процессоров.

Ничего удивительного в этом нет, тенденция к мобильным вычислениям не является надуманной или искусственно созданной – просто компьютеры точно так же трансформируются и подстраиваются под современность (или сами перестраивают ее?), как и все, что нас окружает. В полной мере это касается и процессоров, которые устанавливаются в мобильные устройства. Пройдя долгий путь со времени, когда не было никакого разделения на мобильные и стационарные, до наших дней, где количество их разновидностей счету не поддается, они обросли мускулами и при этом стали удивительно бережно обращаться с питанием.

МОБИЛЬНЫЕ
Мы уже привыкли к тому, что любой мобильный ПК оснащается мобильным же процессором. Однако разделение процессоров на настольные и мобильные версии до недавнего времени было в определенной мере искусственным. Почему?

Безусловно, мобильные процессоры, начиная с Mobile Pentium III, справлялись с возложенными на них задачами и исправно трудились в миллионах произведенных компьютеров. Но их архитектурные отличия от настольных собратьев были весьма незначительны, поскольку разработка и проектирование велись путем подгонки и оптимизации существующего ядра к условиям мобильного использования. В итоге такая модификация заключалась в изменении корпусировки для улучшения теплоотвода и снижении напряжения питания для уменьшения энергопотребления.

В принципе, такой подход был оправдан, поскольку позволял значительно снизить издержки при разработке различных по предназначению процессоров и тем самым их удешевить. К тому же немалую роль в снижении цен на ноутбуки, которые до последнего времени стоили гораздо дороже обычных компьютеров, играло то обстоятельство, что наборы системной логики для них по своим возможностям и архитектуре были очень близки к десктопным.

Однако подход к проектированию мобильных процессоров пришлось все же изменить, и виновником этого во многом стал процессор Intel Pentium 4. Строение этого процессора очень сильно отличается от строения его предшественников: для того, чтобы достичь действительно высоких тактовых частот, Intel разработала архитектуру NetBurst со сверхдлинным конвейером.

Однако из-за значительного увеличения количества транзисторов и повысившегося энергопотребления создать путем “косметических” изменений полноценную мобильную версию стало невозможно. Несмотря на то что мобильный Pentium 4 все же появился, ноутбуки на его основе по длительности автономной работы оказались далеки от совершенства. И тогда в Intel решили взять курс на параллельную разработку принципиально новой платформы, которая была бы лишена недостатков. Израильская команда, которая работала над созданием так и не увидевшего свет процессора Timna, взялась за разработку истинно мобильного процессора.

В 2003 году он вышел в массы под названием Pentium M (рабочее название – Banias). Первоначально его появление было встречено с известной долей настороженности: уже был достигнут рубеж 3 ГГц, а частота новинок была в два раза ниже. Достаточно скоро стало ясно, что опасения были напрасны: являясь неотъемлемой частью мобильной платформы, которая, как и процессор, разрабатывалась “с чистого листа”, он быстро завоевал популярность. Этому способствовало наличие несомненных достоинств, реализованных впервые. Рассмотрим их по порядку.

Процессор Intel Pentium M на ядре Banias, как и мобильная версия Pentium 4. производится по 0,13-микронному технологическому процессу. По сравнению с предыдущими мобильными процессорами он обладает значительно большими объемами кэш-памяти первого и второго уровней. Из-за этого количество транзисторов возросло до 77 млн. штук. Были разработаны три модификации, предназначенные для установки в ноутбуки различного предназначения: Intel Pentium M, Intel Pentium M Low Voltage (LV) и Intel Pentium M Ultra Low Voltage (ULV).

Они различаются напряжением питания и максимальными тактовым частотами. Обычная версия процессора имеет тактовые частоты от 1,3 до 1,7 ГГц, процессор Intel Pentium M LV выпускается в двух модификациях с тактовой частотой 1,1 и 1,2 ГГц, а процессор Intel Pentium M ULV – с частотой 900 и 1000 МГц. Напряжение питания всех процессоров составляет от 0,85 до 1,5 В в зависимости от модели, а средняя потребляемая мощность – менее 1 Вт.

Улучшение характеристик энергопотребления в существенной мере связано с переходом на новый технологический процесс с использованием напряженного кремния. В отличие от обычной кристаллическая решетка напряженного кремния имеет большее расстояние между атомами, что позволяет ускорить прохождение электронов – они встречают меньшее сопротивление на своем пути. Кроме того, в итоге возрастает скорость работы транзисторов и повышается производительность.

Важнейшее улучшение, введенное в Pentium M, – реализация расширенной технологии Intel SpeedStep с оптимизацией энергопотребления, сбалансированной по нагрузке. В отличие от предыдущих схем продления ресурса батарей, SpeedStep стала оперировать не двумя, а сразу несколькими “точками” для задания тактовой частоты и напряжения питания процессора, чтобы согласовать производительность CPU с текущей нагрузкой.

Для сохранения работоспособности процессора при изменении напряжения с переходом на более высокое значение частоты сначала плавно повышается напряжение питания процессора, а при достижении требуемого напряжения происходит переход на новую частоту, занимающий очень короткий промежуток времени. Аналогично переход на более низкую частоту выполняется очень быстро, а напряжение затем снижается постепенно, когда процессор уже продолжает работу. Управление переходом между состояниями осуществляется только центральным процессором и блоком регулятора напряжения, другие компоненты системы при этом не используются.

Кроме того, значительная экономия ресурса батарей достигается оптимизацией управления питания шиной. Pentium M и его шина впервые работают в такой связке, когда для того, чтобы начать передачу данных в процессор, чипсет сначала подает специальный сигнал о начале транзакций. Если транзакций нет, то специальные усилители считывания, встроенные в процессор, отключаются – даже тогда, когда шиной управляет процессор.

Появилась технология объединения микроопераций Micro-Op Fusion. Суть ее в том, что инструкции процессора объединяются с операндами памяти. По сравнению с обычной процедурой в архитектуре IA32, когда инструкции разбиваются на микрооперации, наличие в них дополнительных данных позволяет ускорить исполнение и снижает энергопотребление процессора.

Еще одно отличие – появление специального блока, называемого выделенным менеджером стеков, который отслеживает загрузку системных ресурсов и обеспечивает синхронизированное и бесперебойное выполнение команд. Кроме того, с целью улучшения производительности подвергся переработке метод прогнозирования команд: одновременно прогнозируются и будущие операции, и нужные данные из кэш-памяти первого уровня. А для того чтобы емкая кэш-память второго уровня не потребляла слишком много энергии, в Pentium M ввели возможность обращения не только ко всей памяти, но и к отдельным блокам.

Конечно, некоторые из технологий, о которых написано выше, в том или ином виде присутствуют и в других процессорах. Однако именно связка мобильного процессора с мобильной же платформой позволяет утверждать, что к Intel Centrino слово “мобильная” относится в полной мере. Заложенные в нее на этапе проектирования качества предопределили успех, который компания собирается развить с помощью процессоров Pentium M следующего поколения – на ядре Dothan.

Последняя модификация Pentium M производится по самому совершенному сегодня технологическому процессу с использованием литографии 90 нанометров. Благодаря этому энергопотребление процессора удалось сохранить на прежнем уровне, несмотря на то что из-за возросшего объема кэш-памяти второго уровня количество транзисторов практически удвоилось. Кстати, 2 Мб кэш-памяти позволяют этому процессору без труда расправляться со своими более скоростными настольными собратьями в офисных приложениях – там она имеет гораздо более важное значение, чем частоты процессора и системной шины.

Dothan ускорился не только вследствие возросших до 2 ГГц тактовых частот: подверглись улучшению технологии предварительной выборки данных, а также появился менеджер расширенного доступа к регистрам данных, который ускоряет работу при операциях чтения/записи данных переменной длины. Тепловыделение процессора сохранилось на уровне его предшественника и чуть превышает 20 Вт при максимальной нагрузке. Однако в будущем оно должно возрасти (по оценкам, примерно до 30 Вт), поскольку ожидается переход платформы на использование системной шины с частотой 533 МГц, а вот технологический процесс с нормами 65 нм станет реальностью еще не скоро.

Появление мобильных платформ, тем не менее, не изменило основных подходов к конструированию самих ноутбуков. Они по-прежнему являются многокомпонентными системами с большим количеством узлов и, кроме процессора с чипсетом, содержат жесткие диски, графические карты, оптические приводы, и процессор не имеет к этим узлам прямого отношения.

КАРМАННЫЕ
По-другому обстоят дела с карманными компьютерами. Хотя еще относительно недавно их платформы были во многом схожи с платформами для ноутбуков, сегодня ситуация в корне изменилась. Говорить “процессор” про процессоры для КПК не совсем правильно, а иногда и совсем неправильно. Помимо осуществления расчетов и вычислений, чипы, которые сегодня массово устанавливаются в наладонники и смартфоны, обладают огромным количеством дополнительных функций.

Отправляются в прошлое чипы-компаньоны, а процессоры становятся все более комплексно-интегрированными – в сущности, они уже давно являются системами на чипе (System On Chip, SOI). Если взглянуть на приведенную схему весьма распространенного сегодня процессора Intel PXA255, то можно в этом непосредственно убедиться.

Помимо ядра XScale, на которое и возложены функции процессора в традиционном понимании этого слова, эти чипы оснащены встроенным контроллером ввода-вывода с IrDA интерфейсом, контроллером цветного ЖК-дисплея, PCMCIA и CompactFlash, карт памяти MMC/SD, AC97, поддерживают USB (в качестве клиента) и Bluetooth. Естественно, что привычная для компьютеров системная шина “упаковывается” вместе с остальным содержимым внутрь микросхемы. Сочетание “шина внутри процессора” звучит необычно, но точно передает суть систем на одном чипе.

Intel PXA255, которые способны работать на частотах 200 – 400 МГц, сегодня являются одними из самых массовых процессоров. Естественно, что им на смену пришли еще более высокоинтегрированные модели. Последующие модификации, Intel PXA26x и PXA 27x, в довершение стали оснащаться встроенной флэш-памятью объемом 16 или 32 Мб.

Эта технология встраивания, получившая название Intel Strata Flash, значительно ускоряет загрузку устройств, поскольку при обмене данными не надо обращаться к отдельным микросхемам памяти на плате, к тому же удешевляется разводка плат и экономится место. Наилучшим образом она подходит для смартфонов, где размеры весьма критичны.

По сути, в процессор, оснащенный высокопроизводительным (по меркам КПК) ядром на основе усовершенствованной архитектуры Strong ARM, всевозможными контроллерами и интерфейсами для подключения внешних устройств, добавили еще и память, превратив ее в полностью завершенную платформу. Не хватает только встроенной оперативной памяти. Представляете, если бы в настольных компьютерах вместо материнской платы и процессора стояла бы небольшая плата с одним лишь чипом?

Понятно, что на такие ухищрения разработчики идут не ради того, чтобы проявить свои способности и потешить публику. Все их действия направлены на улучшение энергосбережения чипов. Высокоинтегрированные SOI-микросхемы обладают значительным преимуществом по показателям экономичности потребления питания перед наборами из двух-трех микросхем: упрощается управление и повышается скорость обмена данными.

Рано или поздно технология SpeedStep просто обязана была перекочевать и в КПК. В процессорах Intel PXA 27x ее представляет Wireless Intel SpeedStep. Смысл и способы достижения цели не изменились: как и в ноутбуках, ее предназначением является улучшение режимов энергосбережения, которое достигается за счет гибкого регулирования частоты и напряжения в зависимости от нагрузки. Частота процессоров PXA 27x возросла до 624 МГц, их производительности вполне достаточно, чтобы реализовать в КПК практически любые функции, в том числе, например, проигрывание MPEG-2.

Движущей силой при разработке мобильных процессоров сегодня является объединение вычислительных и коммуникационных технологий, сдобренное мультимедийной составляющей и при этом хорошо сочетающееся с экономичным энергопотреблением. Какое бы устройство мы ни взяли, будь то КПК, смартфон или ноутбук, для покупателя он представляет интерес лишь как законченное решение. Это значит, что должны быть обеспечена хорошая производительность и полный набор интерфейсов для обмена данными и подключения периферии.

С этой точки зрения нет ничего удивительного, что практически на всех фронтах лидирующие позиции занимает Intel, которая уже несколько лет назад взяла курс на мобильность как на сочетание всех этих составляющих. А если учесть богатый опыт и потенциал компании, то следует рассчитывать на дальнейший прогресс в этой области.

Возможно, в самом ближайшем будущем нас ждет появление модульных мобильных ПК, сочетающих в себе возможности ноутбука, КПК или смартфона. Тем более что кроме процессорных технологий интенсивно развиваются технологии передачи данных и появляются новые перспективные элементы питания с увеличенной емкостью. Это значит, что будущее будет еще более мобильным.

Сравнительные характеристики мобильных процессоров Intel
Процессор Pentium III-M Pentium 4-M Pentium M (Banias) Pentium M (Dothan)
Число транзисторов, млн. 28,1 55 77 140
Технологический процесс, мкм 0,18 0,13 0,13 0,09
Объем кэш-памяти L1, кб 16+16 12+8 32+32 32+32
Объем кэш-памяти L2, кб 512 512 1024 2048
Частота системной шины, MГц 133 400 400 400
Диапазон тактовых частот, ГГц 0,50-1,33 1,40-2,50 0,90-1,67 1,10-2,00
Напряжение питания, В 1,4 1,3 0,85-1,5 0,85-1,34
Поддержка управления питанием шины нет нет да да
Наличие выделенного диспетчера стеков нет нет да да
Технология наслоения микроопераций нет нет да да
Поддержка Intel Mobile Voltage Positioning (MVP IV) нет нет да да
Расширенный доступ к регистрам данных нет нет нет да
Улучшенная система предварительного запроса данных нет нет нет да