مقدمه

با توجه به اطلاعات اعلام شده توسط شرکت اینتل ، پردازنده های جدید این شرکت با نام هسته Nehalem به زودی و به احتمال زیاد تا آخر سال جاری ، یعنی  2008 وارد بازار جهانی می شوند . از این رو قصد داریم در این مقاله نگاهی به امکانات ، مشخصات و معماری این سری داشته باشیم .

از امکانات اصلی این پردازشگر های قدرتمند می توان به داشتن مموری کنترلر سه کاناله مجتمع ، L3 کش ، یک باس اکسترنال جدید با نام QuickPath و در آخر بازگشت تکنولوژی Hyper Threading اشاره کرد .

مشخصات Nehalem

حال در زیر نگاهی اجمالی و لیست مانند به مشخصات Nehalem می اندازیم و سپس در مورد این مشخصات صحبت می کنیم :

- استفاده از ریز معماری Intel Core + چهار Dispatch Unit

- دارای مموری کنترلر DDR3 سه کاناله مجتمع

- دارای 256 کیلوبایت L2 کش برای هر هسته به صورت مجزا

- دارای 8 مگابایت L3 کش در مجموع به صورت اشتراکی

- استفاده از تکنولوژی جدید SSE 4.2 با 7 دستور العمل جدید برای پردازش رشته و متن

- دو راه همزمان Multi-Threading ( چند رشته ای ) ، SMT

- تقویت واحد حدس با اضافه کردن دومین شاخه بافر هدف ( BTB )

- دومین ورودی 512 TLB

- تقویت قدرت Virtualization

- باس اکسترنال جدید QuickPath ( دو لینک برای هر سوکت پردازنده )

- دارای تکنولوژی ساخت 45 نانومتری

همان گونه که در بالا مشاهده می کنید این پردازنده های 45 نانومتری از ریز معماری Intel Core استفاده می کنند ، یعنی پردازنده هایی بر پایه پردازنده های فعلی Core 2 Duo پس بسیاری از امکانات مشخصات این پردازنده ها با پردازنده های فعلی خیلی تفاوتی ندارند و بیشتر به صورت فاکتور های افزایش یافته و یا تقویت شده است .

حال اگر به چیدمان حافظه کش در این پردازنده ها نگاهی داشته باشیم متوجه می شویم که چیدمان استفاده شده در این پردازنده ها همانند چیدمانی است که در پردازنده های Phenom شرکت AMD استفاده شده است . مانند داشتن حافظه L2 کش مجزا برای هر هسته و یک حافظه L3 کش اشتراکی ما بین هسته ها . اما مقدار حافظه های کش در این پردازنده ها 256 کیلوبایت برای هر هسته از نوع حافظه L2 کش و 8 مگابایت از نوع L3 است و مقدار حافظه L1 نیز همانند پردازنده های Core 2 Duo برابر 64 کیلوبایت باقی مانده است که 32 کیلوبایت برای دستورالعمل ها و 32 کیلوبایت برای داده ها استفاده می شود . 

این در حالی است که در پردازنده های Core 2 Duo حافظه L2 کش مجزایی وجود نداشت و این مقدار ما بین کلیه هسته ها به اشتراک گذاشته می شد اما در پردازنده های چهار هسته ای اینتل مانند Core 2 Quad و Core 2 Extreme حافظه L2 کش اشتراکی به صورت یکی برای هر دو هسته است به عبارت دیگر و ساده تر این پردازنده ها از نظر چیدمان L2 کش مثل دو عدد پردازنده Core 2 Duo می مانند . برای درک بهتر این مطالب و نگاهی خلاصه به آن چه گفته شد به عکس های زیر توجه کنید :

همان گونه که مشاهده می کنید این پردازنده ها اولین پردازنده های شرکت Intel هستند که دارای مموری کنترلر داخل پردازنده هستند . یعنی چیزی که AMD از سال 2003 با پردازنده های Athlon 64 خود از آن استفاده می کند . این امکان باعث افزایش قدرت حافظه می شود مانند نرخ انتقال دیتا و ... ، چراکه مموری کنترلر هرچه به پردازنده نزدیکتر باشه باعث کاهش تاخیراتی می شود که در زمان رفت و آمد از مموری کنترلر در مادربورد و پردازنده تلف می شود .

از دیگر امکانات Nehalem پشتیبانی از ماژول های حافظه DDR3 است . اما این نکته آن چنان قابل توجه نیست نسبت به Triple-Channel یا سه کاناله بودن آن ! چرا که شما در این حالت می توانید از سه ماژول درآن واحد استفاده کنید و توانایی انتقال 192 بیت در هر چرخه را پیدا می کنید به جای 128 بیت در Dual-Channel یا 64 بیت در Single-Channel و این باعث افزایش 50 درصدی قدرت حافظه نسبت به حالت تنظیمی در Dual-Channel است . و از نظر پهنای باند نیز با سه کاناله بودن و استفاده از ماژول های DDR3-1333 می توانید از پهنای باندی با توانایی انتقال 31,992 مگابایت در هر ثانیه بهره ببرید در مقایسه با 21,328 مگابایتی که با استفاده از همین حافظه در حالت Dual-Channel می توانید داشته باشید .

حال به بررسی QuickPath می پردازیم . همان گونه که می دانید شرکت AMD برای اتصال پردازنده به چیپست از باس Hyper Transport استفاده می کند . این تکنولوژی را AMD از زمان Athlon64 ها استفاده می کند و کارایی بسیار بالایی دارد . حال اینتل نیز در Nehalem قصد دارد از یک همچین باسی برای برقراری ارتباط مابین  پردازنده  به چیپست و پردازنده به پردازنده در پلتفرم های چند پردازنده ای استفاده کند . نام این باس همان گونه که در بالا اشاره شد QuickPath ( راه سریع ) نام دارد و و به ازای هر سوکت پردازنده دو لینک QuickPath وجود دارد . اما ما در حال حاضر اطلاعات چندان زیادی در مورد ریز مشخصات این باس در اختیار نداریم ولی می دانیم که هر لینک QuickPath می تواند تا چیزی حدود 6.4 میلیارد انتقالات را در هر ثانیه انجام دهد و از این رو هر پردازنده می تواند پهنای باندی با توانایی انتقال 25.6 گیگابایت در هر ثانیه به ازای هر لینک را داشته باشد . به احتمال زیاد هر لینک راه جداگانه ای برای انتقال و دریافت داده ها دارد بنابراین هر راه می تواند حداکثر 12.8 گیگابایت در هر ثانیه انتقال بدهد .

قطعا بزرگترین خبری که در Nehalem قابل توجه است بازگشت تکنولوژی HyperThreading می باشد که با نام SMT در این پردازنده ها استفاده می شود . به صورت اجمالی  این تکنولوژی به سیستم عامل این امکان را می دهد که هر هسته پردازنده را به عنوان دو هسته مستقل بشناسد و از آن ها استفاده کند ( توصیه می کنیم برای درک بهتر HyperThreading و شناخت کامل این تکنولوژی به مقاله نوشته شده در اینجا بروید ) . برای مثال یک پردازنده Quad-Core توسط سیستم عامل به صورت 8 هسته شناخته می شود .

بهبود های انجام شده در ریز معماری Intel Core

حال به بررسی امکاناتی می پردازیم که در واقع تقویت شده امکانات قبلی در ریز معماری Intel Core ای هست که در پردازنده های Core 2 Duo فعلی برای مثال استفاده می شود .

اولین نکته : Nehalem از 4 Dispatch Unit استفاده می کند به جای 3 واحدی که در پردازنده های فعلی Intel Core استفاده می شود . اما این یعنی چه ؟ در واقع این بدین معناست که این پردازنده می تواند 4 ریز دستور العمل را در هر لحظه پردازش کند به جای سه ریز دستور العملی که در پردازنده های فعلی مانند Core2 Duo ها استفاده می شود . با توجه به این می توان گفت از نظر پردازشی Nehalem چیزی حدود 33 درصد قوی تر است از پردازنده مشابه از نظر فرکانس هسته از سری Core 2 Duo چراکه این پردازنده می تواند چهار ریز دستور العمل را به جای سه ریز دستور العمل به صورت همزمان انجام دهد .

دومین نکته : Nehalem دارای دومین ورودی 512 TLB است . مدار TLB برای بهبود سرعت ترجمه آدرس های مجازی و  تبادلات ما بین آدرس های فیزیکی و آدرس های مجازی در حافظه مجازی ( Virtual Memory ) استفاده می شود . حافظه مجازی ، تکنیکی است که پردازنده بر روی فایلی در هارددیسک حافظه بیشتری را شبیه سازی می کند که به فایل Swap می گویند و این تکنیک برای این استفاده قرار می گیرد که در زمانی که حافظه بیشتری برای انجام عملیات لازم است عملیات متوقف نشده و ادامه پیدا کند و پردازنده چیزی را که روی حافظه RAM است را بر روی فایل Swap ذخیره کرده و سپس با خالی شدن مقداری از حافظه RAM می تواند سیستم به ادامه کار بپردازد . حال با اضافه شدن دومین جدول از این نوع قدرت پردازنده افزایش خواهد یافت .

سومین نکته و آخرین نکته : بهبود واحد شاخه حدس است با اضافه شدن دومین شاخه بافر هدف . شاخه حدس مداری است که سعی می کند با حدس زدن گام بعدی برنامه و ذخیره دستورالعمل هایی که احتمالا پردازنده در گام بعدی آن ها را از حافظه طلب می کند مدت زمان تلف شده در گرفتن این دستورات از حافظه را تا آنجا که ممکن است از بین ببرد چراکه در نهایت ممکن است این حدس درست نباشد و پردازنده مجبور به گرفتن این دستور العمل ها از حافظه شود . پس با افزایش حجم توانایی ذخیره عملیات و یا اضافه کردن یک شاخه دیگر همانند چیزی که در این پردازنده صادق است باعث افزایش حدسیات و در نتیجه افزایش سرعت شود .

نویسنده و مترجم : شهریار بارانی

 به نقل از سایت انگلسی زبان Hardware Secrets