Bên trong vi cấu trúc Intel Nehalem.
Bên trong vi cấu trúc Intel Nehalem (phần 1) Nehalem là tên mã của CPU Intel mới mà có tích hợp Bộ phận điều khiển bộ nhớ bên trong và sẽ có mặt trên thị trường trong tháng tới và sẽ có tên gọi Core i7 . Cấu trúc này cũng sẽ được dùng cho những bộ vi xử lí trong những hệ thống Máy chủ những năm tới và nó cũng sẽ có mặt trong những CPU giá rẻ. Những CPU dựa trên cấu trúc này sẽ tích hợp bộ phận điều khiển bộ nhớ hỗ trợ tới Triple-Channel DDR3 , 03 mức Cache và quay trở lại với công nghệ HyperThreading và có Bus ngoài mới có tên gọi QPI ( QuickPath ) . Trong bài này chúng tôi sẽ giải thích những gì mới trong cấu trúc này . Bên dưới là tóm lược những đặc điểm chính của Nehalem • Dựa vào Vi cấu trúc Intel Core • Có 02 tới 08 lõi • Tích hợp Bộ phận điều khiển bộ nhớ , có thể hỗ trợ Triple-Channel DDR3 . • 256KB Cache L2 cho mỗi lõi • 8MB Cache L3 • Tập lệnh SSE 4.2 mới với 07 lệnh mới • Hỗ trợ công nghệ HyperThreading • Turbo Mode ( tự động Overclock ) • Nâng cấp vi cấu trúc ( hỗ trợ Maro-Fusion 64-bit , cải tiến Loop Stream Detector , 06 cổng gửi dữ liệu – Dispatch …) . • Cải tiến Bộ phận Dự đoán rẽ nhánh bằng cách thêm BTB thứ hai ( Branch Target Buffer ) • Tối ưu hoá những lệnh SSE không thẳng hàng . • Cải thiện hiệu suất ảo hoá . Theo Intel thời gian trễ giảm đi 65% so với bộ vi xử lí 65nm Core 2 và giảm 20% so với 45nm Core 2 . • Bus ngoài QPI ( QuickPath Interconnect ) mới . • Bộ phận điều khiển năng lượng mới . Cụng ngh sn xut hin ti l 45nm v nhng Model tng lai s l 32nm cú tờn mó Westmere . Socket mi vi 1366 chõn .Mt iu quan trng nờn nh ú l nhng b vi x lớ Core 2 c sn xut da trờn cụng ngh di 45nm s cú nhiu tớnh nng hn nhng b vi x lớ c sn xut trờn cụng ngh 65nm . Tt c nhng tớnh nng ny u cú mt trong b vi x lớ Nehalem ỏng chỳ ý nht ú l :ã Tp lnh SSE 4.1 vi 47 lnh SSE mi .ã Cụng ngh Deep Power Down ( ch cú trong nhng CPU Mobile v c gi l Trng thỏi C6 State ) ã Cụng ngh Enhanced Intel Dynamic Acceleration Technology ( ch cú trong nhng CPU Mobile ) .ã Ci thin FPU ( B tớnh toỏn du phy ng ) bng nhng phộp chia theo h s 16 nhanh hn Fast Radix-16 Divider ã Ci thin FPU ( B tớnh toỏn du phy ng ) bng Super Shuffle Engineã Cụng ngh o hoỏ nõng cao Enhanced Virtualization Technology ( hiu sut tng 25 75% khi chuyn trng thỏi sang mỏy o ) .B phn iu khin b nh tớch hpNgay t khi bt u nhng CPU ca Intel s dng Bus ngoi cú tờn gi FSB ( Front Side Bus ) chia x vic truyn thụng tin gia B nh v nhng yờu cu I/O . Nhng b vi x lớ mi da trờn lừi Nehalem s tớch hp B phận điều khiển bộ nhớ bên trong và như vậy sẽ cung cấp hai Bus ngoài : Bus bộ nhớ để nối CPU tới bộ nhớ và Bus I/O để nối CPU với thế giới bên ngoài .Việc thay đổi này sẽ nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống vì hai lí do • Có hai đường dữ liệu riêng biệt cho việc truy cập những thiết bị I/O và bộ nhớ . • Truy cập bộ nhớ nhanh hơn vì CPU không cần trao đổi thông tin với bất kì những linh kiện bên ngoài CPU .Trong Hình 1 và Hình 2 so sánh cấu trúc truyền thống dùng với những CPU của Intel và cấu trúc mới sẽ được dùng với những CPU mà có tích hợp Bộ phận điều khiển bộ nhớ .Hình 1 : Cấu trúc dùng với những CPU Intel hiện tại Hình 2 : Cấu trúc được dùng với những CPU mà có tích hợp Bộ phận điều khiển bộ nhớ .Bus ngoài mới dùng có tên gọi QPI ( QuickPath Interconnect ) và nó cung cấp hai đường dữ liệu riêng biệt ( một để Truyền dữ liệu và một để Nhận dữ liệu ) để CPU trao đổi thông tin với Chipset hoặc với những CPU khác , trong trường hợp máy chủ có nhiều CPU . Như thế cũng dễ dàng nhận thấy QPI có ý tưởng tương tự như với Bus HyperTransport của hệ thống AMD . Thế hệ QPI đầu tiên sẽ làm việc với tốc độ 3.2GHz , truyền hai dữ liệu 16-bit tương đương với tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất theo lí thuyết là 12.6 GB/s theo mỗi hướng . Chúng tôi đã có bài viết về Bus QPI các bạn nên xem để biết thêm chi tiết .Những CPU dùng cho máy tính để bàn sẽ chỉ có 01 đường QPI , trong khi đó những CPU sử dụng trong hệ thống Máy chủ sẽ có 02 Bus QPI độc lập cho phép chúng được nối với nhau trong môi trường SMP ( Symmetric MultiProcessing ) . Bộ phận điều khiển bộ nhớ tích hợp trong những bộ vi xử lí Nehalem có thể thiết lập theo cấu hình Triple-Channel , có nghĩa là nó có khả năng truy cập ba thanh nhớ cùng một lúc , điều này cho phép cải thiện hiệu suất làm việc trong toàn bộ hệ thống . Theo lí thuyết cấu trúc Triple-Channel cung cấp băng thông tăng thêm 50% so với cấu trúc Dual-Channel trước kia với cùng một tốc độ xung nhịp .Do vậy để đạt được hiệu suất cao nhất có thể với những hệ thông của Nehalem nếu CPU đó hỗ trợ Triple-Channel như Core i7 , chúng ta cần 03 hoặc 06 thanh nhớ . Bạn nên chú ý điều thay đổi này bởi vì hầu hết hiện nay trong PC dùng 2GB hoặc 4GB ( với hai hoặc bốn thanh nhớ cho những cấu trúc Dual-Channel ) và với hệ thống Nehalem mới thì bộ nhớ trong PC sẽ có dung lượng 1.5GB , 3GB hoặc 6GB cho hiệu suất cao nhất.Bên trong vi cấu trúc Intel Nehalem (phần 2) Một điều khác bạn sẽ phải rất cẩn thận vì thực tế nhiều Motherboard sử dụng bộ vi xử lí Core i7 sẽ có 04 khe cắm bộ nhớ . Nếu bạn cắm 04 thanh nhớ cùng một lúc trên Motherboard đó thì hiệu suất toàn hộ hệ thống sẽ giảm xuống . Bên trong vi cấu trúc Intel Nehalem (phần 1)Ví dụ , nếu bạn cài 4GB RAM bằng 04 thanh nhớ , mỗi thanh 1GB thì hệ thống sẽ truy cập 3GB đầu tiên theo cấu hình Triple-Channel , nhưng vùng nhớ giữa 3GB – 4GB sẽ truy cập theo hiệu suất kiểu Single-Channel . Do đó tốt hơn cả bạn nên sử dụng bộ nhớ với dung lượng 1.5GB , 3GB hoặc 06GB với 03 thanh nhớ mà thôi . Với cấu hình Triple-Channel , CPU sẽ truy cập bộ nhớ 192-bit một lúc ( 64-bit x 03 ) . Vì thế với bộ nhớ DDR3-1066 sẽ cho phép tốc độ truyền dữ liệu theo lí thuyết lớn nhất là 25.58 GB /s . Bộ phận điều khiển bộ nhớ tích hợp trong CPU dựa vào Nehalem chỉ hỗ trợ bộ nhớ DDR3 mà không hỗ trợ bộ nhớ DDR2 .Do việc tích hợp Bộ phận điều khiển bộ nhớ bên trong CPU nền Intel phải thay thế Socket khác có 1366 chân . Do đó bạn không thể nâng cấp hệ thống dùng CPU Intel hiện thời thành Core i7 bằng cách thay đổi CPU .Bộ nhớ Cache Với bộ nhớ Cache Intel sẽ sử dụng Cache như AMD đã làm với những bộ vi xử lí Phenom , có nghĩa là bộ nhớ Cache L2 riêng cho mỗi lõi và bộ nhớ Cache L3 dùng chung . Mỗi bộ nhớ Cache L2 sẽ là 256KB và Cache L3 sẽ là 8MB , ít nhất là với những Model đầu tiên ( Intel cũng có thể tung ra thị trường những bộ vi xử lí Xeon dựa vào Nehalem mà có nhiều Cache hơn ) . Bộ nhớ Cache L1 cũng tương tự như với Core 2 Duo bao gồm có 64KB trong đó 32KB cho Lệnh và 32KB cho Dữ liệu . Những bộ vi xử lí Core 2 Duo chỉ có một bộ nhớ Cache L2 sử dụng chung cho tất cả lõi bên trong CPU , nhưng những CPU Quad-Core của Intel như Core 2 Quad và Core 2 Extreme có hai bộ nhớ Cache L2 , mỗi bộ nhớ Cache L2 lại sử dụng với 02 lõi . Để hiểu rõ hơn chúng tôi minh hoạ theo Hình 3 và Hình 4 . Hình 3 : So sánh những cấu trúc Cache [...]... hệ thứ 6 của CPU Intel Pentium 4 là CPU của Intel thế hệ thứ 7 , sử dụng Vi cấu trúc hoàn toàn khác – những bộ vi xử lí Core 2 và Core i7 không liên quan một chút gì với cấu trúc của Pentium 4 Sở dĩ có vấn đề như vậy vì cấu trúc CPU thế hệ thứ 7 không hiệu quả bằng cấu trúc những CPU thuộc thế hệ thứ 6 Trong Hình 5 cho thấy mối liên quan của Vi cấu trúc Nehalem mới với những bộ vi xử lí trước kia... Macro-Fusion trong CPU dựa vào Nehalem được dùng cả hai kiểu 32-bit và 64-bit Trong khi đó Macro-Fusion dùng trong CPU Core 2 chỉ làm vi c khi CPU sử dụng Mode 32-bit mà thôi Bên trong vi cấu trúc Intel Nehalem (phần 3) Vi cấu trúc Core cũng thêm Loop Stream Detector ( LSD ) , về cơ bản nó là bộ nhớ Cache chứa 18 lệnh nằm ở giữa Bộ phận Lấy dữ liệu ( Fetch ) và Bộ phận Giải mã ( Decode ) từ CPU Bên trong vi. .. thành những Vi lệnh ( được gọi là “ Micro-Op” hoặc “µop” ) Cấu trúc này gọi là lai ghép giữa CISC/RISC và được giới thiện bên trong bộ vi xử lí Pentium Pro : CPU nhận những lệnh x86 ( CISC ) nhưng lại thực hiện bằng một Vi lệnh riêng biệt nào đó ( RISC ) Vi cấu trúc Core , dùng trong những bộ vi xử lí Core 2 , đưa thêm vào sử dụng kiểu Macro-Fusion , mà có khả năng dịch hai lệnh x86 thành một Vi lệnh... “Micro-Ops” ) để thực hiện bên trong CPU , sự cải tiến này cho phép hiệu suất làm vi c tăng lên và mức tiêu thụ điện năng trong CPU giảm đi vì nó chỉ cần thực hiện một Vi lệnh thay vì hai Vi lệnh trước kia tuy nhiên vi c dịch hai lệnh x86 thành một Vi lệnh lại chỉ làm vi c với những lệnh So sánh và lệnh Rẽ nhanh có điều kiện ( Ví dụ như lệnh CMP , TEST cộng với lệnh Jcc ) Vi cấu trúc Nehalem cái tiến... trúc Nehalem mới với những bộ vi xử lí trước kia Những sự thay đổi chính có trong mỗi CPU mới và những CPU mới đều nâng cấp những tính năng từ những CPU cũ Hình 5 : Mỗi liên quan trong “Cây gia phả “ với Vi cấu trúc Nehalem Để hiểu xem những gì mới bên trong Vi cấu trúc mới , chúng ta cần nhớ lại rằng những Chương trình được vi t bằng tập lệnh x86 ( hay còn gọi là “Macro-Op” hoặc “Instruction “ ) ,...Hình 4 : So sánh những cấu trúc Cache Cải tiến Pipeline CPU Như đã đề cập trước đó , Nehalem ( Core i7) được dựa vào cấu trúc dùng trong Core 2 Duo và với một số cải tiến với cách xử lí luồng dữ liệu bên trong CPU Trong phần này chúng ta sẽ xem nó cải tiến những vấn đề gì Core 2 Duo được dựa vào cấu trúc bộ vi xử lí Pentium M , và chính là sự quay trở lại với Pentium... trong vi cấu trúc Intel Nehalem (phần 1) Bên trong vi cấu trúc Intel Nehalem (phần 2) Khi CPU đang chạy vòng lặp ( Loop – là một phần của chương trình được lặp đi lặp lại vài lần ) , CPU không cần lấy những lệnh yêu cầu một lần nữa từ Bộ nhớ Cache lệnh L1 : chúng đã sẵn sàng gần bộ phận Decode Trên thực tế khi ấy CPU sẽ tắt Bộ phận Fetch và Dự đoán rẽ nhánh để tiết kiệm năng lượng Với những bộ vi xử... Vị trí của LSD trong những CPU Core và Nehalem Cấu trúc Nehalem thêm một cổng Gửi dữ liệu ( Dispatch ) phụ và bây giờ có 12 Bộ phận thự hiện lệnh ( Execution Unit ) , xem hình dưới Với những CPU dựa vào cấu trúc này có thể có nhiều Vi lệnh được thực hiện cùng một lúc hơn so với những CPU trước kia Hình 7 : Những cổng Dispatch và những Bộ phận thực hiện lệnh ( Execution Unit ) Vi cấu trúc Nehalem cũng... tiến về phía trước , tải vào bên trong CPU những lệnh mà nó nghĩ rằng CPU sẽ tải theo bước tiếp theo Nếu vi c phỏng đoán là chính xác thì CPU sẽ không mất thời gian lãng phí để tải những lệnh này từ bộ nhớ vì chúng đã nằm bên trong CPU Vi c tăng kích thước ( hoặc thêm Bộ đệm thứ hai , trong những CPU Nehalem ) của BTB cho phép mạch điện này tải nhiều lệnh hơn và điều đó tăng vi c phỏng đoán những bước... hơn và cũng đồng nghĩa với vi c cải thiện hiệu suất làm vi c của CPU Cải tiến Quản lí công suất Những Transistor bên trong CPU làm vi c như một cái Công tắc ( Switch ) với hai trạng thái • Dẫn điện , khi ấy nó làm vi c như là Công tắc được đóng để cho phép dòng điện đi qua • Không dẫn điện , Công tắc mở không cho phép dòng điện đi qua Có một vấn đề đó là khi Switch làm vi c ở trạng thái Không dẫn . và Bộ phận Giải mã ( Decode ) từ CPU. Bên trong vi cấu trúc Intel Nehalem (phần 1 )Bên trong vi cấu trúc Intel Nehalem (phần 2)Khi CPU đang chạy vòng lặp. quan trong “Cây gia phả “ với Vi cấu trúc Nehalem ể hiểu xem những gì mới bên trong Vi cấu trúc mới , chúng ta cần nhớ lại rằng những Chương trình được vi t