معرفی پردازنده‌های ایوی‌بریج

[saberi]

اینتل معمولا پنج سال پیش از انتشار پردازنده‌ها از برنامه زمان‌بندی مشخصی پیروی می‌کند که شامل فناوری ساخت و معماری این محصولات می‌شود. اینتل این برنامه را با تیک‌تاک ساعت معرفی کرده است و بر اساس آن زمانی که به یک فناوری‌ساخت جدید دست پیدا می‌کند آن را با تیک نشان می‌دهد و زمانی که معماری پردازنده‌ها را در این فناوری ساخت ارتقا می‌دهد از عبارت تاک استفاده می‌کند. به عنوان مثال در فناوری ۴۵ نانومتری، مرحله تیک با ورود پردازنده‌های پنرین (Penryn) همراه بود و پس از آن نیز مرحله تاک با عرضه معماری نیهالم انجام شد. این فرآیند در فناوری ساخت ۳۲ نانومتر نیز ادامه پیدا کرد و در تیک اینتل، نسل اول پردازنده‌هایCore  با نام نیهالم با فناوری ساخت ۳۲ نانومتری تولید شدند که وست‌مر (Westmere) نام داشتند و در مرحله بعدی نیز نوبت به معماری سندی‌بریج رسید که بر اساس همان فناوری‌ساخت وارد بازار شد. حالا اینتل دوباره مرحله تیک را آغاز کرده است و در این مرحله توانسته از تکنولوژی ۲۲ نانومتر برای تولید دوباره همان معماری سندی‌بریج استفاده کند که پیش از این با تکنولوژی ۳۲ نانومتری تولید می‌شد. این نسل جدید با نام ایوی‌بریج (Ivy Bridge) معرفی شده و مانند گذشته، شامل محصولاتی برای رده دسکتاپ‌ و لپ‌تاپ‌ها است. ضمن اینکه کاهش فناوری‌ساخت این امکان را فراهم می‌کند که میزان مصرف انرژی و حرارت تولیدی کاهش پیدا کند و در مقابل بتوان محصولاتی کوچک‌تر و سبک‌تر تولید کرد.

مهم‌ترین تغییر در پردازنده‌هایی که با نام ایوی‌بریج ایجاد شد به ترانزیستورهای این محصولات مربوط می‌شود. درون پردازنده‌ها صدها میلیون ترانزیستور وجود دارد و این قطعات بسیار کوچک عملیات پردازش را انجام می‌دهند. اندازه این ترانزیستورها به قدری کوچک است که برای مشاهده آنها از میکروسکوپ‌های الکترونی استفاده می‌شود و نمی‌توان آنها را با آنچه در بوردهای الکترونیکی می‌بینیم مقایسه کنیم. این ترانزیستورها به وسیله‌ لایه‌هایی از سیلیکون و فلزهای رسانا تولید می‌شوند و از نظر ابعاد می‌توان آنها را با سلول‌های خونی مقایسه کرد.

ایوی‌بریج (Ivy Bridge)
در معماری ایوی‌بریج از ترانزیستورهای سه‌بعدی استفاده شده است و نخستین نمونه از آنها برای تجهیزات موبایل تولید شد. در نگاهی کلی به ساختار این پردازنده‌ها شباهت زیادی با مدل‌های سندی‌بریج دیده می‌شود و اگرچه فناوری‌ساخت تفاوت کرده است اما معماری این تراشه‌ها مانند نسل قبلی است. در این مدل‌ها یک هسته گرافیکی نیز روی سطح پردازنده قرار دارد که آن هم با فناوری ۲۲ نانومتری تولید می‌شود اما اولین عامل که تفاوت بین ایوی‌بریج و سندی‌بریج را آشکار می‌کند در تعداد ترانزیستورها مشاهده می‌شود. پردازنده‌های سری جدید دارای ۱.۴ میلیارد ترانزیستور هستند و این در حالی است که در پردازنده‌های ۳۲ نانومتری سندی‌بریج ۱.۱۶ میلیارد ترانزیستور به کار رفته بود. بنابراین ۲۰.۷ درصد افزایش در این قسمت مشاهده می‌شود و در مقابل اگر همان تعداد ترانزیستور سندی‌بریج به جای فناوری ۳۲ نانومتر با روش ۲۲ نانومتری تولید شوند حدود ۴۷.۳ درصد سایز اولیه وسعت خواهند داشت. نتیجه اینکه با وجود افزایش ۲۰ درصدی در تعداد ترانزیستورها، سطح تراشه باز هم کوچک‌تر شد.

بخش حافظه درونی پردازنده‌های ایوی‌بریج تفاوت زیادی با مدل‌های سندی‌بریج ندارد و همان ساختار در این سری نیز دیده می‌شود. لایه سوم کش بین هسته‌ها، بخش گرافیکی و کنترلر حافظه مشترک است و حجم آن نیز در همان سطح هشت مگابایت تعریف شده است. کنترلر حافظه نیز از دیگر قسمت‌های بدون تغییر در ایوی‌بریج است. این بخش از حافظه‌های DDR3 و حافظه DDR3L پشتیبانی می‌کند که با ولتاژ ۱.۳۵ ولت اجرا می‌شوند، حرف L در انتهای نام این رم‌ها نشان‌دهنده عبارت Low Voltage است. با این حال توان اورکلاک در این قسمت افزایش قابل توجهی داشته است. در نسل قبلی میزان فرکانس رم‌ها تا ۲۱۳۳ مگاهرتز قابل افزایش بود که این مقدار در پردازنده‌های ایوی‌بریج به ۲۸۰۰ مگاهرتز رسیده است.
 در ابتدای مطلب شیوه زمان‌بندی تیک‌تاک اینتل مطرح شد و اینکه تغییر فناوری‌ساخت برای پردازنده‌ها یک تیک محسوب می‌شود و تغییر معماری را می‌توانیم یک تاک بنامیم. هسته پردازنده‌های ایوی‌بریج اکنون در مرحله تیک قرار دارند ولی هسته گرافیکی این پردازنده‌ها مرحله تاک را می‌گذارند و می‌توان انتظار داشت ساختار آن تغییر پیدا کند. در پردازنده‌های سری وست‌مر (نسل اول خانواده Core) برای پردازنده و هسته گرافیکی از دو فناوری‌ساخت متفاوت استفاده شد، به طوری که هسته پردازشی فناوری ۳۲ نانومتر داشت ولی هسته گرافیکی از فناوری ۴۵ نانومتر استفاده می‌کرد. در پردازنده‌های سندی‌بریج این دو فناوری یکپارچه شدند و هر دو بخش دارای فناوری‌ساخت ۳۲ نانومتر بودند. در ایوی‌بریج نیز از همین روش استفاده شده است و هر دو ۲۲ نانومتری هستند، ضمن اینکه تعداد واحدهای عملیاتی در بخش گرافیکی به ۱۶ عدد افزایش پیدا کرده که این تعداد در سندی‌بریج‌ها ۱۲ عدد بود.
در نسل قبلی دو نوع مشخصات برای بخش گرافیکی استفاده می‌شد که GT1 و GT2 نام داشتند. در GT1 تعداد شش واحد عملیاتی متشکل از هسته پردازشی، واحد سایه‌زنی و واحد اجرایی وجود داشت که در پردازنده‌های ارزان قیمت استفاده می‌شد. در GT2 این تعداد به ۱۲ عدد می‌رسید و مخصوص مدل‌های حرفه‌ای خانواده سندی‌بریج بود. در پردازنده‌های ایوی‌بریج این تعداد ۱۶ عدد است ضمن اینکه دو واحد پردازش بافتی نیز در کنار آن دیده می‌شود. البته این مشخصات در مدل‌های گران قیمت وجود دارد و مربوط به GT2 است.
اینتل مدعی است این روش کارایی پردازش سه‌بعدی را به طور قابل توجهی افزایش داده است ضمن اینکه این هسته‌ها از این پس با دایرکت‌ایکس نسخه یازدهم سازگار خواهند بود. از دیگر رابط‌های قابل پشتیبانی توسط بخش گرافیکی ایوی‌بریج می‌توان به OpenCL 1.1 و OpenGL 3.1 نیز اشاره کرد. رابط OpenCL به بخش گرافیکی اجازه می‌دهد در پردازش‌های سیستمی به بخش محاسباتی پردازنده کمک کند. توسعه بخش گرافیکی شامل خروجی‌های تصویری هم می‌شود و این پردازنده‌ها می‌توانند تا سه خروجی را تامین کنند که این مقدار در سندی‌بریج دو عدد بود.

فناوری هایپرتریدینگ در این پردازنده‌ها بهبود پیدا کرده و با اینکه از همان ساختار قبلی استفاده می‌کند اما توان عملیاتی برای اجرای یک رشته پردازشی در ایوی‌بریج بهتر شده است. به عنوان مثال در پردازنده‌های سندی‌بریج بسیاری از ساختارهای درون پردازنده که برای فناوری هایپرتریدینگ طراحی شده بودند، در قالب پارتیشن‌های مستقل درونی عمل می‌کردند و هر کدام از آنها برای اجرای دستورالعمل‌ها ظرفیت مشخصی داشتند. زمانی که فرضا یک دستورالعمل با ۲۰ رشته پردازشی به پردازنده ارسال می‌شد، این دستورالعمل در قالب دو فرمان با ۱۰ رشته مورد پردازش قرار می‌گرفت و این عامل باعث می‌شد باقی ظرفیت هسته‌های منطقی خالی بماند. این مساله هنگام افزایش بار پردازشی حساسیت بیشتری ایجاد می‌کرد. در ایوی‌بریج این بافرها ارتقا پیدا کرده‌اند و از توان غیرفعال هسته‌های منطقی بهتر استفاده می‌شود. علاوه بر این تقسیم‌کننده دستورالعمل‌ها نیز نسبت به سندی‌بریج تا دوبرابر توان عملیاتی بیشتری دارد.
از دیگر بخش‌های قابل توجه در پردازنده‌های ایوی‌بریج توانایی امنیتی آنهاست که این ویژگی را می‌توان مدیون خرید شرکت مک‌آفی توسط اینتل دانست. راه‌ حل‌های امنیتی در ایوی‌بریج شیوه تازه‌ای را در حفظ امنیت داده‌ها در سطح سخت‌افزار معرفی کردند که از این به بعد بیشتر شاهد حضور آن در محصولات مختلف خواهیم بود. یکی از این راه‌ حل‌ها SMEP‌ نام دارد که از اجرای برنامه‌های مخرب در سطوح دسترسی پایین جلوگیری می‌کند.
اینتل در پردازنده‌های سندی‌بریج سه سطح ولتاژ را معرفی کرد که شامل LFM، نرمال و توربو هستند. ولتاژ FLM  به کمترین ولتاژ ممکن برای اجرای پردازنده اشاره می‌کند، به طوری که در سطوح پایین‌تر توان اجرای پردازنده متوقف خواهد شد. ولتاژ نرمال نیز انرژی لازم برای کار در شرایط عادی را نشان می‌دهد که این مقدار در حالت توربو که فرکانس هسته‌ها افزایش پیدا کرده‌اند بیشتر خواهد شد.