Многоядерные модульные процессоры третьего поколения

К третьему поколению процессоров Intel Core относятся процессоры, реализованные на основе микроархитектуры Ivy Bridge. В соответствии со стратегией «tick-tock» этот этап развития процессоров приходится на стадию «tick», т. е. на этап перехода технологического процесса на новую норму с возможными улучшениями базовой архитектуры. Поэтому главным в новом поколении стала не разработка принципиально новой микроархитектуры, а технологического процесса.

Релиз первых процессоров Ivy Bridge состоялся 23 апреля 2012 г. В процессорах Ivy Bridge фирма Intel осуществила переход к технологической норме 22 нм. Для этой цели в процессорах Ivy Bridge впервые были применены транзисторы с трехмерной структурой (Tri Gate транзисторы, т. е. транзисторы с трехмерным затвором), исследованием и разработкой которых инженеры Intel занимались в течение долгого времени. В традиционных планарных МОП-транзисторах канал между истоком и стоком образуется в области полупроводника, находящейся непосредственно под напыленным затвором. Трехмерные транзисторы, разработанные инженерами Intel, имеют объемную структуру (рис. 4.20).

Рис. 4.20 Структура Tri Gate транзистора

Область полупроводника «исток—канал—сток» имеет объемную форму, а затвор теперь окружает канал с трех сторон кремниевого выступа (называемого также плавником — fin, откуда другое название транзисторов «Fin FET», т. е. плавниковый полевой транзистор). Затвор изолирован от канала тонким слоем диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью 8, в качестве которого используется оксид гафния или циркония. Такой изолирующий слой имеет лучшие, чем слой оксида кремния, изоляционные свойства, меньший ток утечки. В результате ток в открытом транзисторе может течь по трем граням канала. Логический элемент на таком транзисторе имеет большее сопротивление в закрытом состояние и меньшее в открытом. Переключение логического элемента происходит быстрее, появляется возможность снизить рабочее напряжение процессора, повысить его производительность.

Уменьшение размеров транзисторов позволило существенно увеличить количество транзисторов в процессоре. Четырехъядерпый процессор Ivy Bridge с графическим ядром и 8-мегабайтным кэшем третьего уровня содержит 1,4 млрд транзисторов. При этом основным архитектурным усовершенствованием Ivy Bridge стала кардинальная перестройка графического ядра. Новое ядро, получившее название HD Graphics 4000, полностью стало соответствовать требованиям современной системы программирования компьютерной графики DirectX, что приблизило его к возможностям видеокарт. Также графическое ядро стало поддерживать работу трех независимых мониторов. При этом уровень производительности ядра существенно увеличился благодаря добавлению дополнительных исполнительных устройств: их стало 16 вместо 12 у Sandy Bridge.

Компания AMD как преемницу микроархитектуры Bulldozer представила новую микроархитектуру многоядерпых процессоров Pilednver. Микроархитектура Pilednver полностью повторяет структуру Bulldozer: два двухъядерных модуля имеют общий декодер команд. Резкого увеличения числа выполняемых за такт операций при этом не произошло. Но в новой микроархитектуре были устранены ключевые недостатки микроархитектуры Bulldozer. Для этого внедрен гибридный двухуровневый предсказатель переходов, выполнена оптимизация работы планировщиков исполнения команд, переработано исполнительное устройство для выполнения операций деления, что ускорило их выполнение, улучшены алгоритмы предварительной выборки данных в кэш-память первого и второго уровней.

Кроме того, была выполнена оптимизация расположения компонентов процессора, что позволило снизить токи утечки и повысить энергоэффективность. Это, в свою очередь, позволило повысить тактовую частоту. Все это позволило существенно повысить производительность новых процессоров. При этом технология изготовления процессоров осталась прежней — с 32-нанометровой технологической нормой.