Amd og Intel åpner grafikk foran i prosessorkamp

I en serie nyere kunngjøringer har Intel og AMD separat avduket flere viktige endringer i arkitekturen til deres x86-prosessorer, som lover å forandre måten x86-prosessorer skal brukes i løpet av de neste årene.

Forrige uke kunngjorde AMD en ny minnearkitektur som hadde som mål å bringe CPU og GPU-databehandling nærmere hverandre. Intel avslørte en ny vekt på å forbedre sin posisjon i mer tradisjonell PC-grafikk. I går kunngjorde Intel en helt ny versjon av mikroarkitekturen for sin Atom-serie prosessorer, en som burde gjøre disse brikkene mye kraftigere og potensielt tette gapet mellom Atom og selskapets mer mainstream Core-familie av prosessorer.

AMDs nye minnearkitektur

AMDs kunngjøring av det den kaller heterogen Uniform Memory Access (hUMA) var ikke en stor overraskelse, ettersom selskapet har snakket om Heterogeneous Architecture (HSA) i lang tid.

Konseptet er ganske enkelt. Selv i en brikke som har både CPU og grafikkbehandling (GPU) på samme dør, som i AMDs akselererte prosesseringsenheter (APUer), har minnet som brukes av CPU og grafikken holdt seg i separate bassenger. Mens det fysisk er det samme minnet, bruker CPU og GPU forskjellige pekere til minnet. For å bruke GPU for databehandling, må et program kopiere dataene fra den delen av minnet som brukes av CPU til den delen som brukes av grafikken, gjøre beregningen og kopiere dem tilbake igjen. Alt dette tar tid. Med et ekte enhetlig minnesystem som inkluderer grafikk, vil dette ikke være nødvendig.

AMD presser dette som en del av HSA Foundation, som inkluderer ARM, Qualcomm, Samsung, Texas Instruments, MediaTek og Imagination. Spesielt bruker denne tilnærmingen en programvaredrift kjent som HSAIL og et sett grensesnitt for HSA-akselererte applikasjoner.

Denne uken detaljerte AMD hvordan CPU og GPU i sin HUMA-arkitektur dynamisk kan tildele minne fra hele minneplassen og bruke dette sammen med samme virtuelle adresseringsskjema. Minnet vil være toveis koherent, så enhver oppdatering til minne laget av CPU eller GPU vil bli sett av de andre prosesseringselementene. GPU vil nå støtte minnet som kan lastes opp, med virtuelle sider, slik at den kan fungere med større datasett (slik prosessorer fungerer for øyeblikket). Tanken er at CPU og GPU kan samarbeide mer effektivt. AMD sa at utviklere vil kunne skrive HSA-akselererte applikasjoner ved å bruke standard programmeringsspråk som Python, C ++ og Java.

AMD er ikke det eneste selskapet som ser heterogen databehandling som viktig, og HSA Foundation har også sine konkurrenter. Nvidia har vært en stor talsmann for det den pleide å kalle GP-GPU, presset sine CUDA API-er, og lovet at en fremtidig versjon av grafikkprosessorene vil støtte enhetlig minne. Flere av de store programvareplattformene har sine egne alternativer: Microsofts DirectCompute-utvidelser til DirectX for GP-GPU-databehandling og Googles Renderscript API for heterogen databehandling. Kanskje viktigst er det at Khronos Group, et industrikonsortium, fremmer OpenCL-standarden.

Det store spørsmålet vil være hvilke av disse standardene som vil tiltrekke utviklere. AMDs første prosessor som støtter hUMA vil være dens Kaveri-prosessor, som skal sendes innen slutten av 2013 (men sannsynligvis ikke i systemer før tidlig neste år). AMD leverer også APU for PlayStation 4, og det er mye rykte om å levere APU også for neste generasjons Xbox. Det høres sannsynlig ut at andre medlemmer av HSA Foundation også kunne bruke hUMA-arkitektur, selv om ingen ennå har kunngjort noen slike design. Sammen kan dette være nok til å skape kritisk masse for utviklere og for verktøy, og i så fall kan dette vise seg å være veldig viktig.

Intel dobler ned på grafikk for Haswell

Sent i forrige uke avslørte Intel flere detaljer om sin kommende 4th Generation Core-prosessor, et 22nm produkt kjent som Haswell. Intel hadde tidligere avslørt en rekke nye funksjoner for Haswell inkludert nye AVX2-instruksjoner for å arbeide med større heltalvektorer og fused multiply-add (FMA) instruksjoner for flytende punkt. Dette er ting sluttbrukere sannsynligvis ikke vil se, bortsett fra når det gjelder forbedret ytelse i ganske spesialiserte arbeidsmengder.

Det som er mest interessant med den nye kunngjøringen er fokuset på grafikk, et område der konkurrentene AMD og Nvidia absolutt har hatt en ledelse.

Men Intel tar noen store skritt med Haswell-prosessorene. Intel har lenge sagt at det vil legge til mer grafikk til dyse for noen modeller av Haswell, inkludert en high-end versjon kjent som GT3. Effektivt er dette bare flere grafiske instruksjonsenheter, over mengdene i de nåværende Ivy Bridge-prosessorene. I seg selv er dette en stor forandring gitt at Intel i sine produkter typisk har viet mer die-plass til CPU-plass mens AMDs konkurrerende APU-er har viet mer die-plass til grafikk.

Men Intel viste nylig frem en annen variant, det den kaller GT3e-grafikk, som tilfører en sekundær matrise med 128 MB innebygd DRAM til pakken som inneholder Haswell-dyse, og er designet for å øke hastigheten på grafikken. I forrige uke kunngjorde Intel at versjoner med høyere hastighet av GT3-grafikken nå skal hete Iris, og de med den innebygde DRAM vil bli kalt Iris Pro, ettersom Intel håper å få en viss merkevarefordel av de nye grafikknivåene.

Spesielt vil Haswell-linjen bli segmentert med versjoner med en liten mengde grafikk (GT1) kalt HD Graphics; med GT2-grafikken (tilsvarer high-end av Ivy Bridge-linjen) kalt HD Graphics 4200 til 4600, avhengig av hastighet; med GT3-grafikk, men kjører med 15 watt kalt HD Graphics 5000; de delene med GT3-grafikk som går på 28 watt og over, vil nå bli kalt Intel Iris Graphics 5100; og de med GT3e-grafikk og innebygd grafikk kalt Iris Pro 5200. (Intel har aldri vært en for å navngi enkelhet.)

Intels delnumre forblir kompliserte, men legg merke til at et delenummer som begynner med 4 indikerer Haswell, mens et som starter med en 3 indikerer Ivy Bridge. Selskapet bruker MQ for å indikere standard GT3 bærbare deler og HQ for å indikere deler som har den innebygde DRAM.

Som del av kunngjøringen delte Intel ytelsesnummer for de nye delene, og viste betydelige ytelsesforbedringer sammenlignet med selskapets eksisterende prosessorer. Intel viste tall som antydet Ultrabook-ytelse på opptil 1, 5 ganger forrige generasjon på omtrent det samme strømforbruket (og det dobbelte av ytelsen med en chip med høyere watt rettet mot litt større bærbare PC-er, de med 14-i og større skjermer), dobbelt så mye grafikk ytelse på tradisjonelle bærbare datamaskiner, og nesten tre ganger ytelsen på stasjonære systemer.

Intel sier at den nye Iris- og Iris Pro-grafikken kan sammenlignes med diskrete GPU-er, og det er en stor sak. (Som alltid tar jeg alle ytelsesnumre med et saltkorn til jeg faktisk kan teste produktene.) Jeg er sikker på at det fortsatt vil være mye diskret skrivebordsdel med mye ytelse fra AMD og Nvidia for spill- og arbeidsstasjonsapplikasjoner, men vanligvis bruker disse delene mye kraft. På bærbare datamaskiner i full størrelse hvor kraftkonvolutten er mye mindre, er grafikk på-die viktigere, men det har fortsatt vært et stort marked for diskret grafikk. Intel ser ut til å målrette mot det markedet. Ultrabooks og andre tynne notatbøker har vanligvis ikke hatt strømkravet for å kjøre diskret grafikk, så forbedret on-die-grafikk er absolutt velkommen.

Intels nye Atom-mikroarkitektur

I mange henseender betraktet imidlertid den største kunngjøringen fra Intel sin laveffektarkitektur, som er bestemt til å erstatte arkitekturen som brukes i selskapets nåværende Atom-arkitektur. Atom-familien er mest kjent for å bli brukt på mobile enheter, for eksempel nettbrett og i mindre grad noen få smarte telefoner. Den nye arkitekturen, som er kjent som Silvermont, er også rettet mot en rekke datasentre og innebygde markeder.

Arkitekturen representerer en stor forandring. I stedet for den ordnede utførelsesmotoren som ble brukt i tidligere versjoner av Atom-arkitekturen, inkludert Saltwell-arkitekturen som ble brukt på firmaets nåværende 32nm Atom-versjoner, legger Silvermont til en out-of-order utførelsesmotor, som brukes i Intels Core og Xeon-prosessorer. Dette bør forbedre enkeltrådig applikasjonsbehandling betydelig. Det tilbyr en ny systemstoffarkitektur, designet for å skalere opptil åtte kjerner (mest sannsynlig for applikasjoner som mikroservere). Til slutt legger den til nye instruksjoner (for å gjøre det på nivå med de som ble brukt i Westmere-versjonen av Core-prosessorene), og nye sikkerhets- og virtualiseringsteknologier.

Den nye arkitekturen har en modulær utforming basert på moduler som inneholder to kjerner, 1 MB delt L2-cache (veldig lav latenstid, høy båndbredde), og et dedikert punkt-til-punkt-grensesnitt til SoC-stoffet. Legg merke til at dette erstatter konseptet med multi-threading som Intel har kraftig promotert, og faktisk høres litt ut som AMDs modulære tilnærming brukt i det nåværende desktop og serverchips. (Intel gikk imidlertid ut av sin måte å forklare at det ikke var det samme; AMDs moduler deler flere ting, inkludert flytende punkt.) Modulene kan kombineres for å inkludere opptil åtte kjerner.

For strømforbruk, sier Intel at den nye arkitekturen tillater et bredere dynamisk kraftområde, og lar hver kjerne sin egen uavhengige frekvens og strømstyring, og dermed lar hver enkelt bevege seg opp og ned i ytelse og krafttrekking. (I motsetning til mobile prosessorer, er dette mer som Qualcomm bruker med sine Krait-kjerner enn den mer standard ARM big.LITTLE-kombinasjonen.) Den er også designet med forbedret strømstyring og raskere inn- og utkjøring fra ventemodus, funksjoner som er spesielt viktige i mobilmarkedet.

Selskapet sier at det bedre kan justere kraften mellom CPU-kjernen og andre elementer som grafikk, noe som gir mulighet for en mer sofistikert implementering av burst-modus.

Totalt sett sier Intel at den nye arkitekturen og en overgang til firmaets 22nm FinFet SoC-prosess bør tillate brikker som tilbyr opptil tre ganger høyere ytelse eller fem ganger lavere effekt enn nåværende Atom-brikker. Generelt sa Intel at den "effektive" dual-core-en kan utkonkurrere en ineffektiv nåværende firkjerneprosessor under strømbegrensninger. (Igjen, som alltid, vil jeg vente på at produktene skal bedømme dette.)

I likhet med den nåværende Atom-linjen vil sannsynligvis Silvermont-arkitekturen brukes i en rekke prosessorer, alt fra de som er rettet mot mobile enheter til større systemer. Disse bør omfatte Avoton, rettet mot mikroservere, Rangely rettet mot nettverksenheter, Merrifield rettet mot smarttelefoner, og Bay Trail rettet mot nettbrett og cabriolet. Av disse er den mest etterlengtede Bay Trail-plattformen, som Intel regner med å ha på markedet i tide til at nettbrett skal være tilgjengelig innen høytiden, med flere detaljer innen kort tid.

Totalt sett høres Silvermont-arkitekturen ut som et stort skritt opp fra den eksisterende Atom-arkitekturen, og jeg er spesielt interessert i å se hvordan Bay Trail, basert på denne arkitekturen, faktisk presterer. Til dags dato har det vært et bemerkelsesverdig ytelsesgap mellom den lave enden av Core-familien og high-end Atoms, men denne arkitekturen ser ut som om den virkelig kunne lukke gapet.

Konklusjon: Grafikk og kraftdefinere konkurranse

Hver større prosessor du ser i dag - enten en Intel- eller AMD-brikke rettet mot stasjonære datamaskiner eller bærbare datamaskiner eller en ARM-basert brikke rettet mot smarttelefoner og nettbrett - har flere CPU-kjerner, vanligvis flere GPU-kjerner (unntatt serverbrikker), og alle slags annen spesialisert logikk, for ting som bildebehandling, videokoding og dekoding og håndtering av kryptering.

Etter hvert som brikkeprosessen blir mindre, kan flere transistorer inkluderes på en enkelt brikke. Men hvilke funksjoner som skal integreres (og hvordan de kan integreres), er fortsatt en viktig differensierer blant brikkeprodusentene, og det samme gjør den spesifikke designen og mikroarkitekturen til sjetongene selv.

Disse kunngjøringene viser avveiningene som Intel og AMD gjør, og disse bør ha enorme implikasjoner for databehandling i løpet av de neste årene.

For stasjonære og bærbare datamaskiner ser Intel ut som om det ikke bare prøver å innhente AMD med innebygd grafikkytelse ved å legge til flere utførelsesenheter, men også prøve å gå videre med funksjoner som innebygd DRAM, dra nytte av prosessteknologien lede. AMD vil heller ikke sitte stille med grafikken sin, så det bør sørge for en interessant matchup. I mellomtiden presser AMD hardt på for å bedre integrere grafikk- og CPU-funksjonene, noe som kan resultere i en ny måte å programmere på; som tar lengre tid, men kan vise seg å være utrolig viktig.

Kampen mellom AMDs Kaveri og Intels Haswell kan derfor være mer interessant enn Intel-AMD-konkurransen de siste årene. Haswell vil sikkert sende først. (Jeg regner med å se systemer i sommer, mot begynnelsen av neste år for Kaveri.) Igjen, dette er mest for mainstream stasjonære og bærbare PC-er. Spillere og brukere av arbeidsstasjoner vil fortsatt utvilsomt ønske å koble en chip med diskrete grafikkløsninger fra enten AMD eller Nvidia.

For nettbrett og potensielt til slutt telefoner, kan den heterogene systemarkitekturtilnærmingen som AMD og andre skyver vise seg å være enda viktigere, selv om det igjen vil ta en stund å se om applikasjoner virkelig drar nytte av det. Intels nye arkitektur skal gjøre den mer konkurransedyktig på dette rommet. Det ser virkelig ut som et stort skritt fremover, men konkurrentene vil fortsette å bevege seg.

Jeg er litt nysgjerrig på om ting som den Silvermont-baserte Bay Trail-plattformen for Atom faktisk kjører raskt nok slik at det begynner å vises i mer mainstream low-end bærbare PCer eller til og med stasjonære PC-er. Allerede dagens Atom-baserte nettbrett kjører Windows rimelig bra, og med forbedringene kan det være nok for mange mainstream-brukere, selv om det henger etter ytelsen til Haswell eller Kaveri (eller Intels nåværende Sandy Bridge og AMDs nåværende Richmond, for det saken).

Det skal sørge for en spennende konkurranse året fremover.