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Cpu per il mercato mainstream

Scritto da Richard Fisco

Il Pentium 4 di Intel per il mercato di largo consumo ha ormai percorso parecchia strada dal suo debutto, avvenuto alla fine del 2001. I miglioramenti apportati alla microarchitettura permettono alla versione con core Prescott di offrire più di una mera riduzione della superficie del die e dell’aumento di frequenza. Intel promette infatti di prepararsi per il prossimo anno all’introduzione della tecnologia a 64 bit, che debutterà nel pieno di questa estate sui processori di classe Xeon, anche sui Pentium 4 per il mercato desktop.

Intel ha incrementato la frequenza di clock del Pentium 4 fino a 3,4 GHz, anche se i chip con questa frequenza inizialmente sono stati disponibili solo in quantità limitate (nel momento in cui leggete dovrebbe esserci disponibilità in volumi). Di fronte alla variegata offerta di Pentium 4, Intel rischia però di confondere gli utenti offrendo processori Prescott e Northwood che condividono la stessa frequenza di clock, ma non la medesima microarchitettura. Sul mercato sono infatti disponibili core Prescott che ricalcano le stesse frequenze disponibili con i core Northwood (2,8, 3,0 e 3,2 GHz); consigliamo quindi di verificare con attenzione le sigle identificative in quanto le frequenze dei processori Prescott sono seguite dalla lettera E (ad esempio 3,2E GHz).

Con Prescott, Intel è migrata al processo produttivo a 90 nanometri riuscendo a ridurre le dimensioni del die e ha incrementato la memoria cache. Quella di primo livello (L1) ora è ampia 16 KByte con associatività a 8 vie, contro le 4 vie presenti nelle versioni precedenti; la nuova architettura permette di memorizzare in otto possibili ubicazioni della cache l’informazione recuperata da una particolare posizione della memoria e di aumentare la percentuale di cache hit, ovvero la probabilità che l’informazione richiesta si trovi nella cache. A una maggiore associatività della cache corrisponde una progettazione più complessa dell’hardware e una maggiore latenza (tempo necessario per trovare l’informazione nella cache) di accesso alla cache superiore. Come diretta conseguenza dell’attenzione di Intel verso la multimedialità, il multitasking e il multithreading, Prescott incorpora miglioramenti per la tecnologia Hyper-Threading (HT) e raddoppia la memoria cache unificata (istruzioni/informazioni) di secondo livello, L2, a 1 MByte. Inoltre Prescott ha introdotto il set di istruzioni Sse3 che contiene 13 istruzioni multimediali in più rispetto alla vecchia versione Sse2. Le nuove istruzioni saranno di aiuto in settori come quello della grafica 3D, della compressione video e in ambiente multitasking. Come già accaduto con l’introduzione delle precedenti istruzioni Sse, gli sviluppatori dovranno ritoccare il codice dei loro programmi per poter sfruttare appieno le potenzialità delle Sse3. Sarà quindi necessario attendere l’uscita sul mercato di nuove applicazioni che utilizzano le estensioni Sse3 per valutare il loro effetto sulle prestazioni. La tecnologia HT, presente in vari modelli di core Northwood e in tutti i processori Prescott, ha invece già dimostrato di apportare vantaggi velocistici con applicativi che supportano l’esecuzione in multithreading e in multitasking.

Per raggiungere frequenze di clock più elevate, Intel ha aumentato il numero di stadi della pipeline di Prescott portandoli a 31 contro i 20 utilizzati con il core Northwood. La pipeline più lunga e le maggiori frequenze di clock offrono il massimo con applicazioni che trattano flussi multimediali come la codifica video e audio, dove le istruzioni sono sequenziali e prevedibili. Tuttavia una pipeline lunga porta con se anche degli svantaggi: le tipiche applicazioni da ufficio sono caratterizzate da codice con molte ramificazioni che comportano una minore prevedibilità durante l’esecuzione; quando il processore non individua in modo corretto il passaggio successivo del programma l’intera pipeline deve essere svuotata e ricaricata, con il conseguente spreco di cicli di calcolo. Più sono gli stadi che compongono la pipeline, maggiore è infatti il tempo necessario per svuotarli e ricaricarli con i dati corretti. La pipeline a 31 stadi del core Prescott, rispetto a quella a 20 stadi di Northwood, rende più semplice salire di frequenza; la microarchitettura di Prescott permetterebbe frequenze teoriche di circa 6 GHz, ma i problemi di consumo, ricordiamo che il 30% dell’energia viene consumata solo per tenere acceso il processore, e dissipazione termica riscontrati con il processo produttivo a 90 nanometri hanno convinto Intel a modificare i futuri piani di sviluppo. Sono stati cancellati dalla roadmap alcuni progetti tra cui Tejas, successore di Prescott. Se quest’ultimo non riuscisse a salire di frequenza, le sue prestazioni continuerebbero ad essere influenzate dalle maggiori latenze generate in caso di errate previsioni del codice. Mentre scriviamo Intel ha annunciato la propria versione dei processori x86 con estensioni a 64 bit che debutterà inizialmente con la linea Xeon alla fine del mese di giugno. La soluzione della casa di Santa Clara, nome in codice Compatibility Technology (Ct, tecnologia di compatibilità) sarà molto simile all’architettura AMD 64. Le nuove estensioni permetteranno di processare in modo più efficiente le applicazioni a 32 bit fornendo al contempo una maggiore capacità di indirizzamento degli spazi di memoria e l’accesso alle funzionalità del sistema operativo a 64 bit. Intel ha dichiarato che utilizzerà la stessa versione di Windows a 64 bit compatibile con l’architettura AMD 64. È certa la presenza di differenze proprietarie dovute al supporto delle istruzioni 3DNow! di AMD e delle Sse3 e della tecnologia HT di Intel; tuttavia queste differenze saranno gestite utilizzando percorsi diversi del codice del sistema operativo.

L’Athlon 64 di AMD, introdotto nel settembre del 2003, ha battuto sul tempo Intel nell’introduzione della tecnologia a 64 bit, o della promessa di tale tecnologia, nei Pc desktop. L’Athlon 64 è il discendente diretto delle Cpu a 64 bit della serie Opteron, destinate al mercato server e workstation, introdotte sul mercato nell’aprile del 2003. L’Athlon 64, basato come Opteron sull’architettura x86-64 bit di AMD, rappresenta al momento l’offerta per il mercato di largo consumo dopo che l’Athlon XP, appartenente alla precedente generazione di Cpu, è stato spostato verso la categoria economica. Il model number del processore Athlon 64 con prestazioni più elevate è 3800+, con una frequenza di clock effettiva di 2,4 GHz. Il model number riflette il confronto sulle prestazioni ottenute nei test con i processori Intel, anche se AMD dichiara ufficialmente che il numero si riferisce ai chip Athlon precedenti. Oltre alla capacità a 64 bit, l’Athlon 64 è anche pienamente compatibile con l’architettura x86, l’architettura a 32 bit di Intel, ed è il processore x86 più veloce per molte applicazioni da ufficio o di tipo videoludico.

L’Athlon 64 è stato introdotto con la promessa di sistemi operativi a 64 bit da Microsoft, Red Hat, Suse e Turbolinux; tuttavia al momento solo Suse dispone di una versione a 64 bit di Linux 9.1. Red Hat e Turbolinux sono ancora in fase di sviluppo e Microsoft ha programmato l’uscita di una versione di Windows XP a 64 bit nel terzo trimestre del 2004. Per questo motivo in questo articolo limiteremo la nostra attenzione alle capacità a 32 bit dell’Athlon 64.

L’Athlon 64 incorpora una cache L1 da 128 KByte con associatività a due vie, una cache L2 da 1 MByte con associatività a 16 vie, integra le istruzioni multimediali AMD 3DNow! Professional e supporta le Sse2 di Intel. Sul die è inoltre integrato il controller per memoria Ddr con singolo canale a 64 bit; questo controller supporta Ddr Sdram con frequenze comprese tra 200 e 400 MHz, per un’ampiezza massima della banda di trasmissione pari a 3,2 GByte al secondo. Questo dato è pari alla metà di quello disponibile per i processori Pentium 4 accoppiati con il chipset i875P che supporta un doppio canale per memoria Ddr 400. L’Athlon 64 riesce a compensare in parte lo svantaggio sulla pura larghezza di banda grazie alla minore latenza di accesso garantita dall’integrazione del controller all’interno della Cpu.

A livello architetturale l’Athlon 64, diversamente dal Pentium 4, utilizza una pipeline a 12 stadi e quindi le sue prestazioni sono meno sensibili alle errate predizioni delle diramazioni del codice poiché vi è un minor numero di dati da svuotare e ricaricare nella pipeline. In virtù di questa minore penalizzazione, l’Athlon 64 riesce a ottenere un numero effettivo di istruzioni per ciclo di clock (Ipc, Instruction per clock) più elevato; questa è la ragione per cui l’Athlon 64 3400+ a 2,2 GHz ha ottenuto prestazioni più elevate rispetto al Pentium 4 a 3,4 GHz in alcuni dei nostri benchmark. L’elevata efficienza nei calcoli in virgola mobile garantisce inoltre prestazioni superiori sia con applicativi ludici e multimediali sia con i più sofisticati pacchetti per ambiente workstation. Apple ha annunciato e consegnato il suo processore PowerPc G5 a 64 bit con circa una settimana di anticipo rispetto all’Athlon 64. Il PowerPc G5, sviluppato partendo dal Power4 basato sul progetto IBM PowerPc 970, è un processore Risc superscalare a cinque vie a 64 bit con 58 milioni di transistor implementati mediante un processo produttivo Soi a 130 nanometri. Il suo Fsb (Front Side Bus) a 64 bit opera a metà della frequenza del core della Cpu (1 GHz nel caso del chip G5 top di gamma a 2 GHz) ed è composto da due bus unidirezionali a 32 bit che permettono trasferimenti di dati in ambedue le direzioni simultaneamente.

Per chi necessita di una maggiore potenza di calcolo Apple commercializza anche una versione a doppio processore del sistema Apple Power Mac G5, con due Cpu G5 a 2,0 GHz o 1,8 GHz. Il chip G5 possiede una logica coerente per la cache che, in un sistema dotato di due o più processori con memoria condivisa, permette a ogni Cpu di conoscere il contenuto della cache dell’altro processore. È inoltre presente l’unità AltiVec (Velocity) Engine ottimizzata a 128 bit.

Apple è stata in grado di sfruttare da subito la propria tecnologia a 64 bit in quanto ha il controllo dell’intera piattaforma sia hardware sia software. L’ultima versione del Mac Os X 10.3 (Panther), nonostante sia ancora un sistema operativo a 32 bit, sfrutta l’abilità del processore G5 di indirizzare la memoria virtuale a 64 bit grazie all’impiego di un nuovo kernel e alle aggiornate librerie matematiche in grado di avvalersi delle estensioni a 64 bit. Tali librerie sfruttano la velocità del G5 così che anche applicazioni non ottimizzate per il G5 possono trarre benefici dalla più efficiente esecuzione di operazioni matematiche.

Il PowerPC G5 lavora con indirizzi fisici a 42 bit e permette di indirizzare fino a 4 TByte di memoria fisica rispetto ai 4 GByte disponibili con processori a 32 bit; tuttavia i sistemi Power Mac G5 odierni sono capaci di gestire solo fino a 8 GByte di memoria installata. Come l’Athlon 64 il G5 può eseguire senza emulazione (senza utilizzare altre applicazioni in una struttura software) applicazioni sia a 32 bit sia a 64 bit, oltre al sistema operativo. Al momento non esistono ancora applicazioni in grado di sfruttare appieno i 64 bit per il processore G5. Apple probabilmente presenterà un sistema operativo a 64 bit effettivi oltre a numerose applicazioni, sempre a 64 bit, ma la società non ha dato alcuna indicazione su quando questo si verificherà.


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