Nový superprocesor – made by Microsoft

Dlouhou dobu se procesory vyvíjely podle téměř stejného scénáře. Zdá se ale, že nyní se technologie vydala jiným směrem – směrem k systémům na čipu (System on a Chip – SoC).
GUNNAR TROITSCH

Až doposud byly vzorce pro vývoj nových procesorů velmi podobné: přidat více tranzistorů, "zjemnit" struktury na čipu, zvýšit rychlost, později pak přidat více jader pro paralelní zpracování dat. Procesory nové generace potom byly vždy schopné dostatečně rychle zpracovat více bitů a bajtů, čemuž však musely být přizpůsobeny i další komponenty počítače – rychlejší musely být i čipové sady základní desky, rozhraní a vlastně celá infrastruktura.
Vývojáři tedy došli k "nápadu", že kromě klasického CPU by na jednom křemíku mohly být umístěny i další komponenty, čímž by se obešlo nákladné budování okolní infrastruktury. Tento koncept dostal název "systém na čipu" (System on a Chip; SoC) a už je poměrně dlouho známý z oblasti "vestavěných" systémů (embedded systems) – jednoúčelových systémů, ve kterých je řídicí počítač zcela zabudován do zařízení, které ovládá. Nicméně výkon těchto vestavěných systémů nedosahoval toho, čeho byly v té době schopné běžné PC (x86), nebo dokonce herní systémy (postavené například na procesorech Cell).

Vynucený tah pro Microsoft

Společnosti Microsoft a IBM společně investovaly do vývoje, výroby i marketingu SoC čipů značné finance a v podstatě v tomto směru předhonily i firmy Intel a AMD. Ovlivnily a způsobily to především dva faktory. Na jedné straně totiž musel Microsoft investovat něco mezi 1,05 a 1,15 miliardy dolarů do výměny vadných herních konzolí Xbox 360 – nestačilo je opravit, bylo nutné je zákazníkům vyměnit. Bylo tedy jasné, že bude potřebná mnohem spolehlivější technologie, než jaká byla použita u těchto konzolí. Na druhé straně měla firma IBM bohaté zkušenosti v oblasti vestavěných systémů a navíc se podílela na vývoji procesorů pro Xbox. Ze zoufalství Microsoftu a zkušeností IBM tak vznikl nápad, aby se inženýři obou firem pustili do vývoje nového procesoru, který se skládá nejen z klasického CPU, ale i z grafického jádra a z dalších komponent, které se doposud nacházely typicky na základní desce. Od srpna 2010 tak má Xbox 360 hybridní SoC čip – tzv. XCGPU.

Záměrné omezení kvůli kompatibilitě

Výsledkem vývoje byl tedy SoC čip, který stejně jako starý procesor obsahuje tři procesorová jádra a vyrovnávací paměť, ale navíc i grafický "engin" od ATI. Každé z jader má frekvenci 3,2 GHz a k dispozici vyrovnávací paměť o velikosti 32 KB pro instrukce a data. Všechna jádra pak sdílí 1MB vyrovnávací paměť druhé úrovně. V případě starších modelů Xbox 360 bylo propojení mezi CPU a GPU provedeno pomocí FSB (Front Side Bus) na základní desce.
Protože je v současnosti GPU na stejném křemíku jako procesor, muselo se jejich propojení vyřešit jinak – inženýři nahradili FSB pomocí integrovaného modulu FSBR (FSB Replacement), který vykonává stejnou funkci. Latence a šířka pásma byly změněny a záměrně upraveny, aby nový modul FSBR odpovídal vlastnostem sběrnice FSB. Nový čip totiž nesměl pracovat rychleji než starší kombinace výkonu CPU a GPU, zejména proto, aby se zachovala zpětná kompatibilita se starými konzolemi Xbox 360.

Nižší spotřeba i hlučnost

Microsoft si nechává nový procesor pro Xbox vyrábět 45nanometrovou technologií. První generace (2005) se vyráběla ještě zastaralou 90nanometrovou technologií a druhá generace (2007) 65nanometrovou technologií. "Jemnější" struktury v novém procesoru umožnily podstatně snížit energetické nároky a tím i zahřívání. Vzhledem k tomu, že se k procesoru integroval i GPU a části čipové sady (severní a jižní můstek), narostl počet tranzistorů SoC čipu pro Xbox na 372 milionů.
Integrace přinesla snížení výrobních nákladů – zlevnila se základní deska a nemusely se vyrábět samostatné čipy. Navíc klesla i spotřeba celého zařízení, a to na 60 % původní hodnoty – to přineslo snížení odpadního tepla, menší nároky na chlazení a tím i nižší hlučnost ventilátorů. Jestliže předchozí generace Xboxů byly nechvalně známé hlučností svých ventilátorů, pak u nejnovější generace už je nejhlučnější komponentou optická mechanika. Současný model Xbox 360 S s čipem s technologií SoC má tedy pouze cca poloviční hlučnost proti předchozím modelům.

Větší robustnost a delší životnost

Méně vyzařovaného tepla vede v případě zařízení Xbox i k vyšší stabilitě a životnosti ostatních komponent. U předchozích verzí byli uživatelé celkem zvyklí na tzv. RROD (Red Ring of Death): konzole, která měla hardwarovou chybu, se ohlásila pouze svícením červených diod u zapínacího tlačítka – a u těchto konzolí bylo závad opravdu hodně. Microsoft musel prodloužit záruku a vadné kusy vyměňoval. To vše přišlo na již zmíněnou více než miliardu dolarů. U nových modelů se tato závada už prakticky nevyskytuje. Právě uvedená závada byla připisována přílišnému zahřívání celého systému, což se vyřešilo SoC čipem. Také konzole konkurentů mají podobné problémy s přehříváním – nakonec i v Chipu jsme psali o tom, jak nekonvenčně opravit Sony PlayStation 3 pomocí horkovzdušné pistole. Přílišné zahřívání procesoru u ní vedlo k "odtavení" konektorů.
Kromě prodloužení živnosti komponent díky nižší teplotě má použití SoC čipu i další pozitivní vlivy – nižší počet komponent na základní desce zjednodušuje celkovou infrastrukturu systému (nižší počet přenosových cest), takže celá konzole Xbox je pak mnohem stabilnější. Ve zkratce: Microsoft ušetřil na jednotlivých komponentách (čipy, spoje) a ještě se snížil počet potenciálních zdrojů problémů.

Menší a šikovnější kryt

Z menšího počtu úpornějších komponent a ekonomičtějšího způsobu propojení vyplývají i menší prostorové nároky a menší nároky na chlazení – konzole tak může být mnohem menší a štíhlejší. I když to možná není právě v případě herní konzole, která teď může nést označení "slim", tak důležité, řešení SoC přináší mnoho příležitostí u jiných zařízení (například nettopů), a to především u přenosných, jako jsou notebooky.
Velikost a rozměry krytu už nebudou v takové míře záviset na "vnitřnostech" notebooku, ale spíše na designu nebo na počtu použitých konektorů. Mnoho počítačů již tak snadno na první pohled nepoznáte. Microsoft tento vývoj nastartoval a další společnosti budou brzy následovat. Firmy Intel a AMD to budou mít o něco obtížnější, i ony ale brzy přijdou se svými čipy. Příklad Microsoftu ukazuje, že i když se na výrobě jeho čipu podílelo více firem (IBM a nejmenovaný partner), masová výroba účinných SoC čipů je za použití 45nanometrové technologie dobře zvládnutelná.

Budoucnost bude levnější

Nová technologie by se měla prosazovat poměrně snadno. Ve střednědobém, ale hlavně dlouhodobém horizontu totiž přinese především jednu věc: levnější osobní počítače a notebooky. Stacionární zařízení (jako PC) budou navíc stále menší a tišší, nejvíce však budou z vysoce integrované technologie s nižší spotřebou těžit notebooky nebo úplně nové typy přenosných počítačů.
AUTOR@CHIP.CZ


Pronásledovatelé: AMD a Intel
LLANO OD AMD V ROCE 2011
AMD nazývá svůj SoC procesor termínem APU (Accelerated Processing Unit) a vyvíjí ho pod kódovým jménem "Llano". Vzhledem k tomu, že tento kombinovaný procesor (obsahuje CPU i GPU) bude mít kolem jedné miliardy tranzistorů na jednom křemíku, AMD čeká s jeho výrobou na přechod na 32nanometrovou technologii. Jen tak bude moci být vyroben za konkurenceschopnou cenu. První 32nanometrové procesory (ne "Llano") začne AMD vyrábět začátkem roku 2011, Llano v různých variantách bude následovat.
INTEL KONCEM ROKU 2010
Kódové jméno intelovského SoC čipu je "Tunnel Creek" a pro výrobce počítačů a "embedded" zařízení by měl být dostupný ještě koncem roku 2010. Je založen na technologii Atom ("Pine Trail"), ale bude mít nízkou spotřebu – jeho TDP (Thermal Design Power) bude maximálně 2 watty. Celková spotřeba zařízení s tímto procesorem by tak mohla být jen kolem pěti wattů. První produkty (netbooky, tablet PC apod.) můžeme očekávat v roce 2011.


SYSTEM ON A CHIP
Převedli jsme vlastnosti řešení SoC firmy Microsoft na klasickou základní desku PC, abychom mohli posoudit vliv SoC technologie na osobní počítače budoucnosti.
Vyrovnávací paměť L3 – Tato integrovaná DRAM paměť (kapacita 10 MB) "sedí" přímo u procesoru, takže nevyžaduje žádné sloty ani speciální sběrnice.
Komunikace – Všechna komunikační rozhraní systému jsou řízena procesorem – žádné další řadiče nejsou potřebné
Dříve byly vstupy a výstupy řízeny čipovou sadou – southbridge.
Datové linky – Nákladné datové sběrnice nejsou potřeba díky integraci řadičů do čipu.
Grafické řešení – Spojení procesoru a GPU je mnohem rychlejší díky propojení procesorovou sběrnicí. Výkon je tak vyšší.
Procesorové jádro – Zde se v podstatě nic nezměnilo – s tou výjimkou, že "datové cesty" k ostatním komponentám jsou mnohem širší a kratší, tudíž i rychlejší.
Southbridge – SoC čip obsahuje na jednom křemíku také komponenty (řadiče, ovladače sběrnice), které byly dříve umístěny na části čipové sady.
Northbridge – Starý severní můstek (a také jižní) je v nové koncepci PC nepotřebný.
Grafický slot – Nejen slot pro grafickou kartu, ale ani samostatnou grafiku už v novém řešení nenaleznete.
Paměťový slot – Operační paměť se stále bude vkládat do slotu základní desky. Na SoC čipu může být pouze vyrovnávací paměť.
Southbridge – Na základní desce už nebude žádný jižní můstek – jeho funkci kompletně převezme "superprocesor".