Устройство процессоров Intel Ivy Bridge

Часть 2



Энергоэффективность и авторазгон

По этим пунктам нового немного: снижение напряжения и потребления ЦП в энергосостоянии S3 (сон всей системы), внедрение силовых ключей в контроллеры ввода-вывода (отдельно для памяти и остальных), и технология PAIR (power aware interrupt routing — подача ядрам сигналов о прерываниях с учётом экономии энергии), которая при частичной нагрузке выбирает одно из включенных ядер для обработки всех прерываний, чтобы остальные ядра продолжали спать. Также внедрена приоритезация прерываний — обработка малозначимых и не требующих немедленной реакции событий может откладываться, пока какое-то из ядер не проснётся…

Эта глава получилась бы очень куцей, однако в прошлом году на конференции Hot Chips 2011 был опубликован весьма подробный доклад на эту тему, касающийся Sandy Bridge. Многие указанные там подробности были упущены даже в нашем наиподробнейшем обзоре. Поэтому далее следует по сути дополнение к сказанному там — тем более, что всё это наверняка присутствует и в IB.

Во-первых, оказывается, в каждом банке кэша L3 есть два силовых домена, в которых находятся две половины ячеек, несущих собственно данные и биты ECC. Центральная (осевая) часть банка, где находятся контроллер и местный агент кольцевой шины, от питания не отключается. Куда в этой схеме попадают массивы с тегами — неясно. Оба домена включаются и отключаются одновременно. До сих пор было известно, что после засыпания всех ядер в состояние C6 мобильные модели могут отключить и весь L3. Теперь же оказывается, что банки могут отключаться по-отдельности — к сожалению, остаётся лишь гадать, по какому алгоритму. Возможно, он похож на тот, что появился ещё в Pentium-M для L2, и который мы описали в обзоре архитектуры Bobcat. Общее правило одно: чем большая порция кэша оказывается выключена — тем больше данных будет недоступно при обращении к L3, а значит — тем больше надо будет их подкачивать из ОЗУ, тратя на это больше времени и драгоценных микроджоулей, чем при попадании в кэш.

Напряжение Число
ядер
Базовая (Turbo)
частота ядер, ГГц
TDP
всего
TDP при
800 МГц
Повышенное (XE) 4 2,5 (3,5) 55 36
Нормальное 2,2 (3,4) 45 33
2 2,5 (3,4) 35 26
Низкое (LV) 2,1 (3,2) 25 12
Оч. низкое (ULV) 1,4 (2,7) 17 10

Далее, у силового контроллера, управляющего в т. ч. и авторазгоном по технологии Turbo Boost 2.0, помимо обычного показателя TDP есть ещё один — для случая, когда как минимум одно ядро находится в низкочастотном (LFM) режиме простоя (при частоте 800 МГц для мобильных ЦП и 1600 для остальных), а остальные ядра спят. Указанные этой цифрой ватты почти монопольно достанутся встроенному ГП. Из таблицы, где приведены параметры линеек мобильных SB, можно узнать ещё много интересного. Например, при стандартном напряжении разница между 2-ядерным и 4-ядерным ЦП составляет аж 33−26=7 Вт для 800 МГц, но почему-то всего 10 Вт для базовой частоты. Параметры для IB, очевидно, другие (хотя часто́ты простоя те же), но отношение должно быть похожим: ГП получит в лучшем случае ¾ номинального TDP, т. к. всё тепловыделение кристалла не может быть сосредоточено на одном пятачке сбоку.

Впрочем, после продолжительных периодов простоя, когда чип успел охладиться, Turbo Boost 2.0, как мы уже знаем, может превысить показатель TDP на время до 64 с (этот максимум программируется), пока температура не достигла предела. А теперь известно, и насколько можно превысить — на 20–30%. Причём мгновенное потребление энергии может быть ещё выше и ограничивается аппаратным максимумом подачи тока для данного корпуса ЦП. На него также должен быть рассчитан расположенный на системной плате модуль VRM, подающий регулируемые напряжения потребителям (прежде всего — ЦП). А у IB вдобавок обнаруживается возможность программировать несколько уровней TDP. Например, у ноутбука можно отключить кулеры для полностью бесшумной работы, и ЦП должен быть «официально» оповещён (через ОС и драйверы) о сильно сниженной теплоотводной способности. Зато включив режим турбопылесоса, можно добавить несколько ватт в резерв авторазгона.

Более того, реально потребляемые ватты, как ни парадоксально, можно экономить и при хорошем охлаждении, учитывая общее свойство любой КМОП-схемы — при нагреве растут утечки, причём пропорционально аж 4-й степени температуры. Например, при 100 °C (373 кельвина) они вдвое больше, чем при 40 °C (313 K) — теперь ясно, зачем оверклокерам жидкий азот. А утечка в современных ЦП — это ≈20% всей мощности, что для экономного IB означает 10–15 Вт. Половину которых, стало быть, вполне можно сэкономить, если активней охлаждать процессор. Только вот на само́м таком охлаждении можно потерять столько же, да и шумом турбопылесос быстро достанет…

Также стало известно, что силовой контроллер для оптимального баланса между скоростью и экономией вычисляет метрику «масштабируемости». Это не самое удачное название, исходя из сути. Суть же заключается в том, что метрика является прогнозом производительности при понижении частоты ниже текущей. Если вычисляется, что в данный момент метрику можно поднять при незначительном замедлении фактической работы — то частота будет сброшена на одну или несколько ступенек умножителя. Самый верный для этого момент — когда ядра особенно часто стопорятся из-за кэш-промахов в L3, и тогда их частота оказывается не так важна на фоне темпа работы ОЗУ. Если её понизить, скажем, на 10% (разумеется, вместе с напряжением) — это поможет сохранить 25% потребления ценой потери 5% темпа фактически выполняемых вычислений. А вот если метрика приближается к 1, то производительность меняется почти линейно от частоты, и последнюю лучше не снижать. Смысл всех этих замеров и регулировок — чтобы «масштабируемость» в любой момент была поближе к 1 (100%). По утверждению Intel, у SB этот параметр редко опускается ниже 90%, держась в среднем на уровне 95% и часто поднимаясь до 99%.

Любопытно взаимодействие потоков с их индивидуальными оповещениями о загрузке (программа может указать процессору через ОС, что её можно усыпить). Один из потоков в ядре не может перевести его в состояние сна, если второй активен. Но вот если таких ядер два, то два спящих потока можно спарить в одном ядре, которое и уснёт, а два активных — в другом. Разумеется, это наверняка снизит их суммарную производительность, и тут важную роль играет выставленный в ОС режим работы (скоростной, «оптимальный» или экономный), правильно написанные драйверы и отдельно обновляемая прошивка силового контроллера самого ЦП. У ядер есть 4 C-состояния: C0, C1, C3 и C6. Если все ядра (хотя неясно насчёт ГП…) находятся в C3, то весь ЦП переходит в PC3, а если в C6 — то в PC6. Буква P тут означает package — упаковка, т. е. корпус. Из PC6 можно уснуть в самую глубокую «кому» — PC7, когда отключено почти всё. Отдельный набор из трёх экономных состояний есть у ИКП: обычный простой, отключение предзаряда битовых шин и их терминаторов (оконечной нагрузки), а также (дополнительно) отключение местного умножителя. Перевод модуля в режим авторегенерации также управляется силовым контроллером.

Наконец, доблестный процессор защищает не только себя, но и систему. При перегреве модуля памяти силовой контроллер ЦП использует дросселирование (пропуск тактов) шины и уполовинивает период регенерации. Последнее нужно, т. к. при высокой температуре чипа ОЗУ происходит ускоренное рассасывание заряда, что приводит к повышенной вероятности неверного прочтения данных. А температуру контроллер берёт либо из встроенного в модуль термодатчика (который пока редкость), либо из VTS — «виртуального термосенсора».

VTS предсказывает температуру, имея, во-первых, данные из чипа SPD (который давно имеется во всех видах DIMM и подключен к ЦП по последовательной шине) о примерном нагреве модуля при различных операциях с памятью (предполагая, что эти цифры там присутствуют и верны, что не факт…), а во-вторых — собранную в ИКП статистику фактических операций с этим модулем. Однако этих данных недостаточно для точного предсказания (в частности, обдув модуля берётся как среднеожидаемый «по больнице», т. е. по разным корпусам), и VTS часто показывает якобы перегрев до 80–100°C, что ведёт к дросселированию шины памяти. Поэтому если в модуле нет термодатчика, то такую «защиту» рекомендуется отключать, для чего есть, например, утилита «Memory Throttle».

Модуль VRM тоже имеет свой сенсор, показания которого, по идее, также должны спасать VRM от перегрева — видимо, уменьшением нагрузки. Кстати, модулей VRM может быть несколько, но начиная с SB (а также последних ЦП AMD) они все управляются общей 3-проводной шиной стандарта SVID — причём речь идёт не только о регулировке напряжений, но и числа активных фаз (опять же, для экономии). По этой же шине VRM сообщает о своих возможностях и ограничениях, а также текущей температуре и сопротивлении силовых шин.

SB, как и предыдущие ЦП (начиная ещё с Core 2 Duo) поддерживает ещё одну цифровую шину управления силовыми параметрами — PECI (Platform Environment Control Interface), который в 2011 г. Intel почему-то назвала новой. Через этот интерфейс встроенный силовой контроллер подключается к внешнему, расположенному на плате, и сообщает ему всё нужное, в т. ч. для регулировки оборотов кулера. Внешний чип же может управлять пределом потребления ЦП (и пиковым, и средним) и другими настройками, диктуемыми требованиями платформы.

Модели

Как обычно, прокомментируем список моделей в Википедии. Процессоры с ядрами архитектуры IB официально называются Core 3-го поколения, но т. к. первым поколением считается Nehalem и его родственники (хотя до этого слово Core как торговая марка уже давно использовалась Intel), то точнее будет сказать, что это 3-е поколение Core i. Если не считать серверных Xeon E3-12xx(L)V2, то наименование всех видов Core отличается от прошлых ЦП первой цифрой 4-значного номера (3 вместо 2), а всё остальное весьма похоже. У настольных моделей имеются такие линейки (троеточие указывает на отличия от пункта выше):

  • Core i7 38xx и 39xx: предположительно, с такими номерами выйдут «экстремальные» модели без ГП, только вот незадача — у SB-экстремалов номера тоже начинаются с тройки. Но почему? И их как не перепутать? Ответ см. ниже…
  • Core i7 37xx (пока доступны только модели с цифрой 70, зато их аж 5): 4-ядерные ЦП со включенными Hyper-Threading (HT) и авторазгоном всего (ГП — до 1150 МГц), имеют 8 МБ кэша L3 и старший ГП HD4000, официально поддерживают память до DDR3-1600;
  • Core i5 35xx: …минус HT и 2 МБ L3; HD4000 доступен пока лишь у 3570K, а у почти всех остальных моделей тут и далее — HD2500;
  • Core i5 34xx: …Turbo-частота ГП — 1100 МГц, а модель 3470T совсем выбивается из общего ряда — она даже не 4-ядерная; 3475S — единственная с HD4000;
  • Core i5 33xx (в списке пока не указана планируемая модель 3335S): … Turbo-частота ГП — 1050 МГц, а у 3350P графика полностью отключена;
  • Core i3 32xx: 2 ядра, HT, 3 МБ L3, PCIe только версии 2.0 (хотя вы почти ничего не потеряете), и без авторазгона x86-ядер;
  • Pentium G21xx: …минус AVX, HT и спецфункции ГП (Quick Sync Video, InTru 3D, Clear Video HD, Wireless Display и Insider), в результате чего последний тут зовётся просто HD Graphics — точно также, как и в предыдущих двух поколениях «Пентиумов». Снова те же вопросы: почему номера этих моделей начинаются с двойки, и как не перепутать их HD Graphics с аналогами в предыдущих ЦП? А по кочану и никак — это работает фирменная технология Intel Bardack 3.0 :)
  • Pentium G20xx: …память — только до DDR3-1333;
  • Celeron G16xx: …минус 1 МБ L3 (останется 2).

Что касается буквы после номера, то её расшифровка неизменна:

  • нет буквы — большой TDP;
  • K — большой TDP и разблокированный множитель (который, кстати, теперь достигает 63 и может вручную меняться без перезагрузки);
  • S — средний TDP;
  • T — малый TDP;
  • P — процессор с выключенным ГП и «особым» TDP;
  • X — предполагаемые «экстремалы» наверняка снова будут заканчиваться этой буквой.

TDP настольных моделей (если не считать P-версии и грядущих «экстремалов») принимает значения 77, 65, 55, 45 и 35 Вт. Причём значения букв K, S и T в этом ряду не обязательно соседние. (Поначалу тут ещё была цифра 95, но Intel быстро стала указывать и для этих ЦП 77 Вт, заявив, что «95» было нужно разработчикам материнских плат и кулеров для совместимости и с SB, и с IB, а вот тепловыделение самих IB на 18 Вт меньше.) «5» в конце номера означает HD4000 вместо HD2500, но только не для 37xx и K-моделей (где старший ГП и так есть), да и к будущим «Селеронам» и «Пентиумам» это также вряд ли будет относится. Уже запутались? Подбираете изощрённую пытку для маркетологов Intel? Погодите, ведь ещё есть мобильные модели! Они опознаются по отдельному набору букв (слава Муру, что и тут расшифровка одинакова для Core, Pentium и Celeron):

  • XM — «экстремально» 4-ядерный;
  • QM — просто 4-ядерный;
  • M — просто 2-ядерный;
  • U — особо экономный 2-ядерный (и базовая частота ГП тут не 650 МГц, как у предыдущих, а 350);
  • Y — самый экономный 2-ядерный;
  • E — для встроенных применений;
  • C — у новых версий SB, вышедших в этом году (ЦП Gladden для платформы Crystal Forest), эта буква означет особо экономные встроенные версии, работающие на очень низких частотах (например, Xeon E3-1105C — 4 ядра, 1 ГГц и 25 Вт), лишённые ГП и авторазгона, но (даже у 1-ядерных версий) сохраняющие в наличие все остальные свойства полноценного чипа: AVX, HT, ECC-память и т. п. Не лишним будет предположить, что и среди IB появятся аналогичные модели с той же буквой C.

А вот из номеров понятно чуть более чем ничего — у Core вторая цифра модели бывает от 1 до 9, и по ней нельзя точно определить даже число ядер: 1–5 это 2-ядерные ЦП, 7–9 — 4-ядерные, а 6 — как придётся. Хорошо, что у всех мобильных Core i включен HT, а у Pentium и Celeron его нет — но не факт, что очередная новая модель не станет исключением. Цифра в конце номера означает:

  • 2 — пониженный TDP;
  • 5 — +100 МГц к Turbo-частоте у ГП;
  • 7 — низкий TDP (но тогда зачем буква U?);
  • 9 — самый низкий TDP (дублёр буквы Y).

Мобильные Pentium 2020M и 2117U, в отличие от настольных тёзок, получат лишь по 2 МБ L3 — также, как и у встроенных Celeron 1020E и 1047UE. Наконец, есть ещё Celeron 927UE — 1 ядро, 1 поток и 1 МБ L3. И наверняка это не последняя 1-ядерный IB. Причём, судя по эволюции моделей на ядрах SB, некоторые из будущих 1-ядерных Селеронов могут даже получить HT.

Мобильный ряд TDP таков: 55 (только для -XM), 45, 35, 17, 13 и 10 Вт. Как и обещано, некоторым из этих моделей разрешено регулировать TDP «на лету»: 7←10←13, 14←17→25 (младшим 25 Вт недоступны) и 45←55→65. Да-да, 65 Вт в ноутбуке, а ведь там ещё и видеокарты бывают! Оплатив $1096 за один только процессор, вы, помимо прочего, сможете пожарить под ноутбуком яичницу, но вот таскать батарейки в чемоданах лучше только в «Ералаше»… На противоположном конце диапазона — модели с буквой Y, которые могут сокращать TDP аж до 7 Вт (называется это сценарным потреблением), но ценой ещё большего снижения скорости и максимальной выдерживаемой температуры (со 105 до 80°C).

Для работы с IB подойдут и некоторые старые чипсеты 60-й серии (Z68, P67 и H67), и новые — 70-е, работающие только с SB. Их настольные версии подробно описаны в нашем материале, а полные данные на все 12 видов (включая 6 мобильных) даны тут. Главная цифра оттуда: TDP мобильных версий — 3–4,1 Вт. В сумме с наиэкономнейшими из ЦП получается всего 20 Вт.

Кристаллы и то, что сверху

Код Число
ядер
Объём
кэша
L3, МБ
Версия
ГП
Размеры
и площадь
кристалла, мм(²)
HE-4 4 8 HD4000 19,631×8,141=159,8
HM-4 6 HD2500 17,349×7,656=132,8
H-2 2 4 HD4000 14,505×8,141=118,1
M-2 3 HD2500 12,223×7,656=93,6

Пока известно о 4 видах кристаллов, но по аналогии с SB можно предположить, что сюда ещё должны войти как минимум две серверные версии (E и EP) без ГП, с 4-канальным ИКП и 40-полосным контроллером PCIe: 4 ядра + 10 МБ L3 и 8/10 ядер + 20/25 МБ. Более того, судя по последним сообщениям, 22-нанометровый техпроцесс позволит выпустить даже 12-ядерные версии с 30 МБ L3. Имеющиеся сегодня кристаллы упаковываются в корпуса LGA-1155 (для одноимённого настольного разъёма), rPGA-988B (для мобильного Socket G2), BGA-1023 и BGA-1224 (эти два — для непосредственной пайки к плате) — все они знакомы по SB, так что с тыльной стороны корпуса выглядят как обычно.


Относительные размеры переменной части кристаллов. Ниже находится ИКП, а правее — остальные блоки внеядра.

Интересно, что показанные в таблице цифры для кристалла HE-4 соответствуют степпингу E1, который выпущен на продажу. А вот ранее показанные публике чипы имеют предыдущую версию (видимо, E0). Эта же версия попала исследователям из фирмы UBM TechInsights, которые оценили площадь в 170 мм² и установили, что дополнительные 1,5–2 мм длины угадываются в районе трактов ГП. Такого удлинения как раз хватило бы, чтобы увеличить их число с 16 до 24. Может быть, до последнего времени у Intel были такие проблемы с надёжностью работы этой части, что она решила заложить в ГП 50%-ный резерв? Или это тестировалась новая, 24-трактовая версия?

К сожалению, число транзисторов, с которым мы так любим забавляться, известно только для самой крупной версии HE-4 — 1420 МТр. Для похожей по параметрам старшей версии настольных SB ранее указывали 995 МТр, но потом показания изменились на 1160, аргументируя тем, что, дескать, в прошлый раз не посчитали некие сервисные структуры, необходимые для реализации логической схемы в кремнии. На этот раз, видимо, в 1420 МТр таковые вошли, потому хоть одно арифметическое действие мы сможем сделать: 1420−1160=260 МТр, из которых, допустим, половина добавлены новому ГП (в старом HD3000 было 114 МТр), что вполне линейно бы соответствовало полученному ускорению в его работе. Бо́льшая часть остального — добавки и доработки внеядра. А ядрам (в каждом из которых у SB было по 55 МТр) наверняка достались всякие мелочи.

Глядя на первые фотографии этой версии кристалла (а других мы пока не имеем), видно, что относительные размеры основных структур ядра не изменились, что не удивительно. Масштабирование матриц L3 тоже почти такое же, как и у логики — если, конечно, её специально не разрядили, ибо раскладка чипа на крупные блоки такова, что делать ядро у́же банка L3 смысла нет.


Всё привычно и знакомо по SB: в центре — 4 x86-ядра и их банки L3, внизу слева — пустое место, справа — ИКП, левый край занят ГП, правый — внеядром. В ГП хорошо видны 16 векторных трактов и 2 одинаковых блока управляющей логики (вверху и внизу) для каждой половины трактов, а по центру ещё один общий блок. Нижние четверти банков L3 имеют пустоты между левыми и правыми матрицами — в версии HM-4, где у банков эта четверть отсутствует, сюда вдвигается ИКП. В старшем 2-ядерном кристалле H-2 ИКП левой частью подлезает под ГП. А вот как H-2 обрезается до M-2, пока неясно — в ГП надо что-то дополнительно удалять, чтобы уместить по ширине ИКП.


Тот же чип, но не на уровне транзисторов и (может быть) первого слоя металла, как мы привыкли видеть, а почти со всеми слоями — кроме самого верхнего, на которой «накатываются» шарики-контакты, и, возможно, ещё нескольких.




А вот готовые кристаллы SB и IB (под одинаковым увеличением), полностью покрытые выводами, под которыми почти ничего не видно даже на крупных снимках. (С сайта EE Times) Кстати, нижний снимок как раз и демонстрирует удлинённый степпинг HE-4.


Однако даже на уровне транзисторов без правильной методики съёмки мало что видно. Фото (с сайта ElectroIQ) сделано компанией Chipworks в процессе «разборки» кристалла после растворения всех медных дорожек и межслойных изоляторов.


Сравнение размеров полноценных 4-ядерных кристаллов SB и IB в одинаковом масштабе. За счёт сильного усложнения ГП его площадь даже увеличилась, причём вместе с пустым местом левее ИКП (что неизбежно при такой раскладке).


А вот это изображение показали первым — ещё на форуме IDF’2011. При сравнении с поздними ясно, что никаких новых технических тонкостей отсюда не выловишь, ибо в Intel сидят такие же мастаки Фотошопа, что и в AMD. Мало того, что низ чипа заменён зеркальным отражением, так ещё и с ГП намухлевали.

Вскоре после выхода ЦП на свет оверклокеры выяснили, что разгоняемость новых ЦП, не смотря на многообещающую экономию нового техпроцесса, оказалась меньше, чем у SB. На это есть две причины: во-первых, меньшая площадь кристалла позволяет рассеивать пропорционально меньшее количество энергии, ибо удельная теплопроводность кремния на единицу сечения неизменна. Во-вторых (и это влияет куда больше площади), если учесть не только кристалл, то удельная теплопроводность в данном случае всё же изменилась, причём также в меньшую сторону, т. к. отвод тепла ограничивается не столько площадью кристалла, сколько качеством контакта со встроенным теплораспределителем (IHS, integrated heat spreader) — металлической крышкой, покрывающей кристаллы большинства современных ЦП. Её роль в том, чтобы верхняя её часть, которой касается радиатор, выделяла тепло максимально равномерно. Без неё оказалось бы, что с кристалла надо уводить ≈50 Вт/см², зато оставшаяся вокруг площадь не отводит почти ничего.

Чтобы распределитель работал эффективней, его контакт с кристаллом должен иметь максимальную теплопроводность, чтобы тепло как можно быстрее уводилось сквозь него. До сих пор Intel использовала безфлюсовую пайку металла с тыльной частью кристалла. (Флюс это добавка к металлу для удаления поверхностных окислов, мешающих пайке. Но он имеет худшие тепловые и электрические параметры, чем принимающий металл, поэтому требуется создать условия, либо не вызывающие поверхностное окисление металла даже при нагреве, либо удаляющие окислы до спекания — и тогда можно обойтись без флюса.)

Однако в IB пайка заменена термопастой, которую обыватели привыкли видеть между процессором и радиатором, но её теплопроводность хуже. В результате максимальная выдерживаемая кристаллом температура опустилась с 94 до 85 °C (если судить по показаниям термодатчика ЦП), выше которой начинается троттлинг (дросселирование) частоты. А при разгоне разница с SB достигает уже 20 °C при прочих равных. Более того, теплопроводность конкретно этой пасты хуже других её видов, так что перед разгоном теперь рекомендуется снять крышку, очистить от высохшей старой пасты (не повредив кристалл и не поцарапав крышку, что весьма непросто), нанести новую (качественную) и установить крышку на место.



SB (вверху) и IB со снятыми IHS. Вверху на крышке видны следы пайки, а внизу — термопаста. (Нижнее фото — с Overclockers.com)

Ранее такой же прокол случался с линейками Core 2 с E4xxx по E6xxx. Как и тогда, предполагаемая причина — экономия денег. Какая экономия получилась на самом деле, учитывая, что блогеры и обозреватели успели раздуть скандальчик, — вопрос спорный. Intel лишь подтвердила, что при разгоне температуры будут выше ожидаемых, но заверила, что при штатных частотах надёжность не пострадала.

Детали о транзисторах

Независимый анализ кристалла компанией ChipWorks показал, что в чипе по-прежнему 9 уровней межсоединений, а длина затвора равна 22 нм (для техпроцесса с такой же численно технормой длина должна быть 11 нм, но памятливые читатели наверняка вспомнят 3-ю часть нашего микроэлектронного обзора, где наглядно показывалось, что́ происходит с нанометрами на самом деле), а минимальное расстояние между затворами (например, в СОЗУ) — 90 нм. Для предыдущего, 32-нанометрового техпроцесса Intel эти параметры были 30 и 113 нм соответственно. Как видите, никакого линейного уменьшения нет, но мы это и раньше выяснили… Кстати, для ясного понимания нижеследующих изображений периодически сравнивайте их с нашим теоретическим описанием 22-нанометрового техпроцесса (по ссылке выше).


Кристалл в разрезе. Огромная «байда» в центре — последний, 9-й уровень металла, на который насажены шарики припоя для контакта с подложкой. Остальная площадь кристалла, не занятая шариками, покрыта защитным изолятором, который тут виден поверх металла. Огромная площадь сечения 9-го слоя относительно других обусловлена тем, что он используется как силовой и тепловой распределитель. А в самом низу виден слой транзисторов. (Тут и далее в этой главе — фото ChipWorks)


Это сечение параллельно затворам ряда транзисторов. Серыми стрелками обозначены затворы, а белыми — истоки и стоки. Выше виден первый уровень дорожек.


Тут видны первые 5 уровней дорожек и инвертор в виде пары многозатворных транзисторов типа FinFET (с каналами-плавниками): nМОП слева и pМОП справа. Стрелкой обозначен контакт к их затворам, а под ним — двойной ряд затворов. Над каждым транзистором виден общий для плавников контакт истока или стока (они одинаковы и зависят лишь от направления тока), а под ними — обычная пластина (а не дорогая типа SOI, как у AMD).


Затвор nМОП-транзистора огибает каналы, имеющие в сечении форму высокого треугольника с закруглённой вершиной (pМОП-каналы со стороны напоминают шахматного слона). Тонкая тёмная линия вдоль нижнего края затвора — высокопроницаемый (high-k) подзатворный изолятор. Сам затвор выстлан нитридом титана (TiN, толстый светлый слой), являющимся «рабочим металлом» для nМОП, как и в 32- и 45-нанометровом техпроцессах Intel. В pМОП эту функцию исполняет TiAlN. (Если читатель захочет вспомнить, зачем нужна и чем важна вся эта химия — всё описано тут.)


Раз уж нам так нравится считать транзисторы в чипах — почему бы не посчитать и атомы в них? :) Вот вершина канала nМОП-транзистора под максимальным увеличением. Точки — это ряды атомов кремния. Тут наглядно видно, что каналы в транзисторах (не только этого типа, а везде и давно) ориентированы в направлении <110> — т. е. вдоль одного из трёх направлений кубической решётки кремния, чтобы проходящие по каналу электроны пореже сталкивались с атомами (в чём суть электрического сопротивления).


Этот сечение массива pМОП-транзисторов с общим каналом (т. е. перпендикулярно видам на фотографиях выше). Тут есть 4 рабочих затвора и 2 ложных, работающих лишь как законцовки плавника. У этих 4 транзисторов наверняка есть и другие каналы, параллельные данному — ближе и/или дальше плоскости этого сечения. Интересно, что вершины затворов вытравлены и заполнены изолятором, а контакты к истокам и стокам — самосовмещённые, как у микросхем памяти.


Крупным планом показан один из транзисторов. Контакты (в которых хорошо виден выстилающий нитрид) опускаются до истоков и стоков, сформированных из кремния, легированного впрыснутым в него германием, чтобы растянуть шаг решётки в этой области. Это создаёт механическое сжатие вдоль канала, что полезно для мобильности дырок. У nМОП-транзисторов канал, наоборот, растягивается, увеличивая мобильность электронов. Таким образом, в плавниковых транзисторах тоже формируется напряжённый кремний, как и в предыдущих техпроцессах.


Сравнение затворов двух видов транзисторов. Металл-заполнитель был сменён со сплава титана и алюминия на вольфрам (тёмное «ядро» по центру). Его оказывается больше в nМОП-затворах, т. к. в pМОП ради экономии на числе операций с пластиной присутствуют оба рабочих металла, а вот из nМОП нитрид титана (в pМОП он — краевой слой с плавными переходами между оттенками серого) после покрытия вытравливается, а потом сверху во все транзисторы осаждается TiAlN (более светлый и зернистый).


Наглядный ракурс на транзисторы под углом. Вертикальные светлые полосы — затворы, в т. ч. общие для комплементарной пары транзисторов. Затворы пересекают (или утыкаются — если они ложные) тоненькие стеночки-каналы, у которых видны небольшие бугорки или колонки — это вспучивания SiGe в местах истоков и стоков. Причём нечто похожее наблюдается и у nМОП-транзисторов, но это остатки металла контактов. Вобщем, всё не совсем так, как на цветных диаграммах…

Итог

Каждый раз для последней главы первое, что приходит в голову автору — текст, напоминающий новогоднее обращение российского президента к народу: этот год был непростым, но успешным, а следующий будет ещё труднее, но и ещё успешней, а также про такие-то проценты роста надоев в Закрома Родины и ВВП на душу населения… Говоря о новых процессорах, получается примерно так: прошлая архитектура была сложной и во многом новаторской, а нынешняя стала ещё сложнее и ещё передовее, получив такие-то проценты роста производительности и экономности (которые большинство читателей и так выяснили из ранее вышедших тестов)… Вместо банальностей лучше напишем о том, чего не надо делать, когда вы только что выпустили отличный процессор: про него не надо врать. А Intel тут почему-то прокололась.

9 января 2012 г. на выставке CES один из высоких руководителей в Intel Мули Идэн представлял Ivy Bridge и системы на их основе. По ходу презентации он показал то, что в его речи представлялось гоночной игрой Formula 1 с графикой DX 11, гоняемой на новом «ультрабуке». Но все местные Внимательные Зрители заметили интерфейс программы VLC, которая просто проигрывала ролик вместо реальной игры (точнее, пыталась, ибо даже воспроизведение клипа получилось рваным). Фото и ссылки на видео есть тут, где предлагается и очевидное объяснение: качество графики (и, особенно, драйверов) у ГП Intel всё ещё такое паршивое, что доверить им современную игру в реальном времени на презентации всё ещё нельзя — не смотря на все заявления о возможности такой игры.

В 2006 г. появился первый чипсет Intel со встроенным 3D-движком — G965. Драйверы не работали уже тогда, и каждый раз перед выходом нового поколения ГП компания обещала, что вот теперь-то всё заработает. Шли годы… Драйверы для графики SB до кондиции так и не довели — обещанные ещё в 2010 г. возможности аппаратного ускорения DX11 так и не выполнены, а OpenCL по-прежнему исполняется лишь x86-ядрами. (Кстати, упоминание поддержки DX 10.1 было удалено из поздних версий рекламных материалов для платформы Cedar Trail для новых ЦП Atom, когда публика обнаружила, что даже ей там не пахнет…) И вот теперь недоиспользованным возможностям HD3000 пришли на смену недопоказанные возможности HD4000.

Что обычно происходит, когда заявленное и обещанное не выполняется? «Скажем, что это лишь предпродажные образцы, тут возможны небольшие глюки»… «Перелопатим миллион чипов и отберём те два, которые полностью заработают — их и покажем»… «Вручную оптимизируем код “демок”, чтобы вытянуть всё что можно из этих ЦП, даже если в реальных программах такой оптимизации почти не будет»… Это и тому подобное вполне часто используется на презентациях. А вот чего обычно не делают, так это не подменяют живую картинку роликом и уж тем более не обманывают об источнике этой картинки даже после разоблачения. Мули, разумеется, сразу понял, что для зрителей уже «всё пропало», но отшутился, заявив, что игра «запущена из-за кулис», что тоже неправда.

Мораль тут проста — если что-то не совсем получается, то про эту часть лучше вообще не говорить, чем бросать пыль в глаза. Тем более, коли есть масса деталей, которые полностью готовы и отлично работают. Иначе получится, что кому-то из Внимательных Читателей или Зрителей придёт в голову крамольная идея о том, что не только игра «запущена из-за кулис», но и всякие прочие заявленные возможности являются не более чем блестящими фантиками. Даже если, как в случае с Ivy Bridge, это совсем не так.




Дополнительно

ВИКТОРИНА TT

Материнские платы какого форм-фактора можно устанавливать в корпус Thermaltake Versa C22 RGB Snow Edition?

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.