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Intel: "tick-tock" e Nehalem

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nehalem_die

In una CPU distinguiamo essenzialmente il processo produttivo e l'architettura; il primo parametro, espresso in nanometri, indica la dimensione di ogni transistor che compone la CPU, mentre l'architettura esprime il modo in cui la CPU è conformata, i suoi componenti interni, come funziona.

Lo sviluppo del processo produttivo ha come risultato la creazione di CPU con die aventi area sempre minore, questo perchè, a parità di numero di transistor, passando da 65nm a 45nm, ad esempio, la dimensione dei transistor diminuisce, e quindi anche le dimensioni complessive del die della CPU. Ciò comporta una diminuzione del TDP (thermal design power, ovvero la potenza teorica, espressa in Watt, che una CPU dissipa) e quindi la quantità di calore da smaltire diminuisce secondo una legge di proporzionalità diretta.

E' per questo che i dissipatori delle nuove CPU Intel Penryn, ad esempio, sono più compatti rispetto a quelli dei precedenti modelli da 65nm. Temperature di esercizio più basse, dunque, che permettono, tra l'altro, un margine sempre più ampio di overclock: se un E6600 raggiungeva mediamente i 3.6GHz a 1.4V (ad aria) ed era quasi sempre impossibile spingersi oltre a causa delle temperature troppo fuori specifica, un E8400 raggiunge tranquillamente i 4 GHz ad aria con temperature più basse e minor vcore. Tutto merito dell'evoluzione del processo produttivo, dunque.

die

Ma il processo produttivo non è tutto; difatti, tra Conroe e Wolfdale (rispettivamente dual 65nm e dual 45nm) e Kentsfield e Yorkfield (quad 65nm e quad 45nm) ci sono differenze prestazionali non elevatissime in quanto si tratta soltanto di una evoluzione del processo produttivo, in quanto l'architettura interna delle CPU non ha subito radicali mutamenti, se non, in fin dei conti, per un aumento della cache L2 (passata da 4 a 6 MB nei dual core e da 8 a 12 MB nei quad) e nuove istruzioni SSE4.

Distinguiamo, infatti, una fase di tick e una fase di tock; la prima indica una evoluzione del solo processo produttivo (così come è avvenuto tra Conroe e Penryn), sulla base di un'architettura ormai collaudata (ecco il passaggio dai 65nm ai 45nm con Penryn), la seconda fase, invece, indica il mutamento della nuova architettura, che arriverà con Nehalem. Parlando di tick, inoltre, solitamente si usa parlare anche di die-shrink, ovvero una riduzione del die a causa dell'introduzione del nuovo processo produttivo.

nehalem

Dunque Nehalem rappresenterà una vera svolta in casa Intel: manterrà il processo produttivo a 45nm, ma introdurrà una nuova architettura interna; le caratteristiche più salienti di questa nuova architettura sono:

  • adozione di un memory controller di tipo DDR3 tri-channel integrato direttamente nella CPU e non nel northbridge come avviene con Penryn e con le precedenti CPU Intel. Tale strategia segue quella che AMD ha oramai introdotto da tempo, e si spera che l'adozione del memory controller integrato non implichi un minor margine di overclock delle CPU Intel; l'adozione del controller integrato permette di ridurre le latenze nell'accesso alla memoria e, a seconda del numero di CPU presenti nel sistema, permette di ottenere una bandwith scalabile;
  • introduzione del QPI (Intel Quick Path Interconnect), un nuovo tipo di bus di comunicazione, assimilabile all'attuale HT (HyperTransport) di AMD. Con il QPI, la CPU sarà messa in veloce e diretto contatto con gli altri componenti hardware, con il vantaggio di avere una banda passante sempre maggiore e latenze inferiori. Non si tratta di un unico BUS condiviso tra tutti i processori e i controller I/O, bensì di un nuovo bus punto-punto; si parla di una bandwith totale che può raggiungere i 25GB/s per ogni collegamento;
  • Simultaneous Multi-Threading: rappresenta la nuova veste dell'Hyper-Threading, che consente ad ogni core di poter elaborare due thread. A livello logico, il sistema operativo vedrà il doppio del numero fisico di Core di una CPU;
  • GPU integrata in alcuni modelli Nehalem destinati alla fascia bassa del mercato;
  • introduzione della cache di terzo livello: fino a Penryn Intel ha incluso nelle proprie CPU due livelli di cache (L1 ed L2); con Nehalem ci sarà anche una cache L3 condivisa tra tutti i core da 8MB (invece le cache L1 ed L2 saranno dedicate per ogni core, e rispettivamente di 32KB e 256KB ciascuna).


La vera novità di Nehalem è rappresentata dall'introduzione di die quad-core monolitici: fino a Penryn, infatti, per la realizzazione delle versioni quad-core venivano affiancati due die dual-core e messi in comunicazione attraverso un bus ad altà velocità, e i due die godevano di cache L2 comune; con Nehalem, invece, ci saranno sia dual che quad monolitici: molto prevedibile quindi la realizzazione di CPU 8-core affiancando due die quad-core.

Ecco un die Nehalem quad-core monolitico; sono indicati il memory controller, i core, la cache L3 condivisa e il QPI:

die

Una prima immagine di CPU Nehalem:

nehalem

Questa invece è la prima scheda madre basata sul nuovo socket Nehalem di cui sono disponibili delle foto (si tratta di una Foxconn):

mobo_nehalem

Da notare il layout differente rispetto alle attuali motherboard Intel-based: il socket è stato spostato nella zona centrale, mentre gli slot di memoria sono stati posti in cima alla scheda madre (si tratta ovviamente di 6 slot anzichè 4, in quanto non si parla più di dual-channel ma, come detto prima, di tri-channel).

Il nuovo socket appare più grande e robusto; tra l'altro dovrebbe essere dotato di una controplacca superiore che avrebbe anche funzione dissipativa nei confronti del calore generato posteriormente dal socket.

socket

Ecco la nuova architettura Nehalem, uno schema "semplificato":

architettura nehalem

E dopo Nehalem? Si parla di Westmere nel 2009 (stessa architettura Nehalem ma processo produttivo a 32nm) e, nel 2010, di Sandy Brtidge (che conserva il processo produttivo a 32nm di Westmere ma introduce una nuova architettura). Ecco la roadmap "estesa" Intel:

roadmap

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