История Intel Pentium 5 Tejas: процессор-рекордсмен, который так и не появился на свет. Почему?

В истории технологий немало интересных поворотов, когда многообещающие проекты внезапно сворачивались, а их место занимали совершенно иные решения. Одним из таких моментов стал 2004 год, когда Intel неожиданно для многих свернула разработку следующего поколения процессоров Pentium — Pentium 5 с кодовым названием Tejas. Архитектура Pentium, как известно, прервалась на Pentium 4 D и ядре Presler, после чего компания полностью отказалась от идей NetBurst и перешла к новой архитектуре Core 2.

Однако такой сценарий не был предопределён. Мало кто знает, но наследником Pentium 4 мог стать не обессмертивший сокет 775 процессор Core 2 Duo, а принципиально новый Pentium 5, построенный на эволюционном развитии микроархитектуры NetBurst под названием Tejas. Давайте раскопаем этот технологический артефакт и разберёмся — почему события пошли именно так, как пошли, а не иначе?

Революция NetBurst

Микроархитектура NetBurst, лежавшая в основе процессоров Pentium 4, представляла собой радикальный отход от предыдущих разработок Intel. В отличие от относительно консервативного подхода AMD, инженеры Intel сделали ставку на принципиально новую концепцию — глубокий конвейер команд, оптимизированный под высокие тактовые частоты.

Ключевой особенностью NetBurst стал 20-ступенчатый конвейер обработки инструкций — революционное для своего времени, хоть и весьма спорное решение, учитывая, что у предшественника, Pentium III, конвейер состоял всего из 10 ступеней. Удлинение конвейера позволило существенно поднять тактовую частоту, но появилась и обратная сторона медали — при промахе в предсказании ветвления приходилось очищать весь конвейер, что приводило к существенным потерям производительности.

Для компенсации этих недостатков Intel позднее разработала передовую систему предсказания ветвлений и технологию Hyper-Threading, позволявшую процессору выполнять два потока команд одновременно. Однако даже эти инновации не могли полностью скрыть фундаментальные проблемы архитектуры — высокое энергопотребление и относительно низкую производительность на такт по сравнению с конкурентами.

На перепутье

К середине 2000-х годов стало очевидно, что архитектура NetBurst зашла в тупик. Несмотря на все усилия инженеров, новые кристаллы упорно не достигали целевых частот, а предиктор ветвлений, несмотря на постоянные улучшения, работал далеко не идеально — при этом конвейер в итоге «раскачали» аж до 31 ступени с минимальными результатами: почти всю разницу от повышения частот, кроме, разве что, тепловыделения, успешно «съели» результирующее падение IPC и ошибки предиктора. В результате процессоры не только потребляли огромное количество энергии, но и уступали по производительности более энергоэффективным решениям от AMD.

Intel оказалась перед сложным выбором, и компания приняла нестандартное решение — сформировать две независимые команды разработчиков с диаметрально противоположными подходами к решению проблемы.

• Первая команда предлагала радикальное решение — полностью отказаться от NetBurst и вернуться к идеям процессора Pentium III Tualatin, взяв за основу мобильную линейку процессоров. Именно этот подход впоследствии приведёт к созданию сначала мобильного Intel Core (Yonah), а затем и легендарного десктопного Core 2 Duo.
• Вторая команда, однако, придерживалась иного мнения. Её специалисты считали, что проблемы NetBurst можно решить, сделав архитектуру ещё более экстремальной — своего рода «удвоение ставок» на уже заложенные в неё идеи. Эта команда и начала работу над проектом, получившим кодовое имя Tejas, а планируемое релизное — Pentium 5.

Идеи команды Tejas

Разработчики микроархитектуры Tejas решили довести концепцию NetBurst до логического максимума. Конвейер инструкций растянули до невероятных 50 ступеней — более чем вдвое длиннее, чем у оригинального Pentium 4. Для компенсации неизбежного увеличения штрафов при промахах предсказания ветвлений в неигровых задачах инженеры разработали принципиально новую версию технологии Hyper-Threading, способную обрабатывать уже четыре виртуальных потока на одном физическом ядре.

Для игр, по мнению авторов архитертуры, работу должны были сделать разработчики движков, оптимизировав их однопоточную логику под специфику Tejas.

Внутренняя архитектура процессора также претерпела радикальные изменения. Инженеры фактически создали чистый, «урезанный» до минимально возможного уровня RISC-процессор с отдельным, полностью независимым блоком декодирования x86-инструкций — развивающий идеи NetBurst (где уже «упрощали» часть x86-команд) подход, который впоследствии возьмут на вооружение все производители x86-совместимых процессоров. Такое решение позволило максимально упростить и оптимизировать ядро под сверхвысокие частоты.

Предиктор ветвлений также подвергся серьёзной переработке. Новый алгоритм использовал более сложные эвристики и больший объём кэш-памяти (1-2 Мбайт L2 на ядро, в зависимости от источника), что должно было отчасти компенсировать увеличившуюся длину конвейера.

В совокупности эти архитектурные решения должны были позволить достичь поистине фантастических тактовых частот — от 7 ГГц и выше. Учитывая, что самые поздние модели Pentium 4 Extreme Edition успешно разгонялись энтузиастами до 5 ГГц на «водянке», амбиции разработчиков Tejas не выглядят такими уж беспочвенными.

Первые прототипы

О стадии практической реализации проекта Tejas известно крайне мало — информация о периоде разработки между финализацией «бумажной» архитектуры и окончательной отменой проекта крайне скудна и противоречива. Достоверно можно утверждать лишь то, что архитектура была полностью завершена на бумаге, а также были выпущены инженерные образцы для термального тестирования кристалла.

Существуют также свидетельства о создании полноценных рабочих процессоров ранних степпингов, хотя разные источники расходятся в оценке их готовности. По данным авторитетного портала Anandtech — на мой взгляд, наиболее достоверного источника, — первые прототипы производились по 90-нанометровому техпроцессу и достигали тактовой частоты 2,8 ГГц, демонстрируя при этом энергоэффективность в полтора раза ниже, чем у современных им Pentium 4.

Для ранних инженерных образцов, частоты которых традиционно в два и более раза ниже финальных версий, такие показатели выглядят более чем многообещающе — и дают весомые основания полагать, что заявленные разработчиками целевые характеристики были вполне достижимы.

Плюсы и минусы Pentium 5 Tejas

Микроархитектура Tejas, даже на концептуальном уровне, получалась ещё более экстремальной, чем предшественница, усиливая как достоинства, так и недостатки подхода NetBurst. Главным козырем должны были стать беспрецедентные тактовые частоты — настолько высокие, что они могли компенсировать существенно меньшее количество инструкций, выполняемых за такт, по сравнению с традиционными архитектурами — это то, чего хотели добиться пр разработке NetBurst, но, по мнению разработчиков Tejas, остановились на полдороги, «собрав» недостатки обеих поддходов.

Учитывая экстремальную «заточенность» архитектуры под высокие частоты и максимальное упрощение внутренней структуры ядра, велика вероятность того, что Pentium 5 мог стать абсолютным рекордсменом в однопоточной производительности. Более того, судя по опыту с Pentium 4, при удачном экземпляре процессора энтузиасты получили бы в свои руки настоящего монстра разгона.

Однако оборотной стороной медали стало бы не менее феноменальное тепловыделение. Если уже оригинальные Pentium 4 снискали славу «печек», то Tejas грозил установить новые рекорды. По самым консервативным оценкам инженеров Intel, базовый тепловой пакет (TDP) финального процессора должен был составить от 125 до 175 ватт — цифры, которые сегодня не удивляют, но в середине 2000-х казались просто астрономическими.

Ситуация становилась бы ещё более драматичной в перспективе создания двухъядерной версии процессора, которая, само собой, также рассматривалась инженерами. Двухъядерная модификация Pentium 5, создаваемая по той же технологии «склейки» кристаллов на одной подложке, что использовалась в Pentium D, могла бы похвастаться фантастическим TDP в 300-400 ватт. Такие показатели тепловыделения неизбежно привели бы к массовому внедрению жидкостного охлаждения в настольные компьютеры на десятилетие раньше, чем это произошло в нашей уютной реальности.

Причины отмены Pentium 5

Вопреки распространённому мнению, проект Tejas был свёрнут не из-за проблем с производительностью или неустранимых конструктивных недостатков. Если бы дело было в этом, разработку прекратили бы задолго до создания физических прототипов — процесса, требующего колоссальных инвестиций. Очевидно, что команда Tejas до последнего момента рассматривалась как серьёзный конкурент «команды Core» с точки зрения потенциальной производительности.

Решающим фактором стало другое преимущество архитектуры Core — универсальность. Команда разработчиков Core сумела доказать руководству Intel, что их процессоры смогут использовать одну и ту же базовую архитектуру как для мобильного, так и для десктопного сегмента, без необходимости существенных модификаций архитектуры или техпроцесса.

В случае выбора в пользу Tejas компании пришлось бы параллельно поддерживать разработку мобильной линейки процессоров командой Core, что означало дополнительные расходы на разработку и производство. При примерно равном потенциале производительности экономическая эффективность унифицированного подхода Core становилась решающим аргументом.

Именно поэтому же окончательное решение об отмене проекта откладывалось так долго — руководство Intel хотело убедиться, что команда Core действительно сможет создать энергоэффективный процессор с производительностью, достаточной для десктопного сегмента. Горький опыт проблемного запуска первого поколения NetBurst заставлял компанию до последнего держать Tejas в качестве запасного плана, чтобы не оказаться в ситуации, когда новая архитектура не оправдает ожиданий — и только после того, как первые «инженерники» будущего Yohan подтвердили ожидания, Pentium 5 окончательно «убрали на полку».

Для контекста, если опускать длинную и запутанную историю — в свое время Intel выпустила на рынок крайне проблемный P4 первого поколения с нестандартной памятью RAMBUS, который, в итоге, феерически провалился. А самой Intel пришлось, спешно и одновременно, доводить NetBurst до ума и выпускать PIII Tualatin, который, изначально, должен был стать сугубо мобильным процессором. Полагаю, снова наступать на те же грабли менеджменту не хотелось.

В итоге именно экономические соображения, а не технические недостатки, поставили точку в истории Tejas. Прагматизм возобладал над амбициями, определив путь развития процессорной индустрии на много лет вперёд.

След Tejas в Crysis

Любопытно, что даже после своей отмены проект Tejas оставил неожиданный след в игровой индустрии, повлияв на разработку, пожалуй, самой технологически продвинутой игры 2007 года — Crysis от студии Crytek. По договорённости с Intel, эта игра должна была стать главным демонстрационным проектом для Pentium 5, и её движок, новейший CryEngine 2, специально оптимизировался ещё с самых ранних этапов разработки под одно сверхбыстрое ядро с длинным конвейером команд.

После отмены процессора переработка движка под низкие частоты, короткий конвейер и многоядерность оказалась практически невозможной, как из-за жёстких сроков разработки, так и из-за фундаментальности требуемых изменений, которые смогли внести только с релизом третьей итерации движка. Именно поэтому Crysis демонстрировал удивительно высокую производительность на разогнанных Pentium 4, порой превосходящую результаты более современных Core 2 Duo — прямое и весьма забавное наследие оптимизации под несостоявшийся Pentium 5.

А новый движок, созданный уже «с закосом» под многоядерность — прекрасно знакомый нам CryEngine 3, который разрабатывали — или, точнее, перерабатывали — почти два года. Отдельные игры на котором могут доставить проблем и современным ПК — привет третьему «крызису». Но это, конечно, уже оффтопик.

В погоне за будущим. Итоги

Глядя на историю проекта Tejas, я не могу не думать о том, что, наверное, что ни делается — всё к лучшему. Конечно, мне, как энтузиасту, было бы невероятно интересно взглянуть на альтернативную реальность с десятигигагерцовыми монстрами, где жидкостное охлаждение стало бы стандартом, а блоки питания на киловатт считались бы обычным делом.

Но если отбросить эмоции и посмотреть на ситуацию рационально, идеи команды Tejas всё равно были технологическим тупиком. Потому что… а что дальше? Полукиловаттные четырёхъядерные процессоры на 45-нанометровом техпроцессе? Штурм отметки в 15 ГГц? Лично я сомневаюсь, что даже при успешном запуске Pentium 5 и его неизбежно триумфальном (благодаря рекордной производительности) релизе эта архитектура смогла бы продержаться на рынке больше нескольких лет.

Рассматривая эту историю сейчас, я вижу в ней не столько упущенную возможность, сколько важный урок о том, что иногда самые смелые технические решения должны уступить место более взвешенным и практичным подходам. Несбывшийся Pentium 5, думаю, останется в истории IT не только занятным примером того, как далеко инженерная мысль может зайти в погоне за какой-то нестандартной парадигмой, но также и напоминанием о том, что технический прогресс не всегда идёт по самому очевидному пути.

И хотя история Pentium 5 Tejas останется одной из самых интригующих «что, если» в истории компьютерной техники, её финал, пожалуй, был предопределён самой логикой технологического развития. Конец, что ли?