За последний год во вселенной процессоров Intel Atom произошел ряд буквально галактических катаклизмов, как разрушительного, так и созидательного порядка. В их результате она была, можно сказать, полностью перестроена. В этом посте мы вспомним историю Intel Atom, поговорим о последних событиях, с ними связанными, а в заключении познакомимся с новыми моделями из этого семейства, похожими скорее на Intel Xeon.

Intel Atom были задуманы компанией Intel как бюджетное решение с минимальным энергопотреблением для различного рода мобильных устройств. Первый Atom появился в 2008 году, он был выполнен по технологии 45 нм, со временем техпроцесс сократился до 14 нм. Успех процессоров Atom сильно отличался в зависимости от области их применения. Так, некоторая их часть определенно появилась в нужное время и получила широкое распространение в новомодных тогда «нетбуках» («ноутбуках для работы в сети»). Работали такие нетбуки по сравнению с ноутбуками на процессорах Core небыстро, зато были дешевы, компактны, не имели кулера (и сопутствующих ему проблем), и хорошо продавались. Вспомним хотя бы суперпопулярный ASUS Eee PC 901 , и отметим, что нетбуки выпускали такие солидные производители как HP, Lenovo, Dell и Sony.

ASUS Eee PC 901

Гораздо менее успешно сложилась судьба Intel Atom как x86-конкурента ARM-процессоров для смартфонов и планшетов. Хотя и тут есть очень заметный результат - выход в 2015 году Microsoft Surface 3 с процессором Intel Atom x7-Z8700.

Надо отметить, что сделано Intel в этом ключевом направлении было очень много - мобильные Атомы последнего поколения, появившегося в 2013-2014 году, по производительности далеко ушли от своих первых прародителей, а по возможностям приблизились к Intel Core: в них было полностью обновлено графическое ядро - Intel HD Graphics, микроархитектура изменена на неупорядоченное (out of order) исполнение, добавлены векторные инструкции SSE4. Тем не менее, интерес к Атомам со стороны производителей был умеренным: несмотря на приличные показатели энергоэффективности (что констатировали весьма уважаемые ресурсы), эксплуатационные преимущества не были столь весомыми, чтобы затевать масштабную движуху по смене платформы. Не последнюю роль тут сыграл и финансовый вопрос: Intel Atom были все-таки дороже своих ARM-соперников.

К 2013 году было анонсировано около десятка моделей смартфонов на Atom , часть из которых так и не вышла в серию. В нашей стране продавался брендированный Мегафоном смартфон Orange San Diego под маркой Mint .

Мегафон Mint

Intel активно продвигала платформу Android x86 среди разработчиков: создавала средства разработки, публиковала обучающие материалы, проводила мероприятия. Более того, был создан уникальный бинарный транслятор, работавший на всех мобильных устройствах c Android на базе Atom, и на лету переводивший ARM код в x86 инструкции почти без потери производительности.

Однако, как уже было сказано выше, устройств на основе Atom было выпущено немного (по сравнению с количеством ARM-устройств на рынке), что приводило к порочному кругу - независимые разработчики не спешили выпускать новые эксклюзивные x86 приложения для данных малочисленных устройств, а производители устройств, в свою очередь, не спешили выпускать новые модели из за отсутствия уникальных приложений. Кроме того, не сработало теоретическое конкуретное преимущество Atom - возможность запуска десктопных приложений на мобильных устройствах одной архитектуры. Во-первых, портировать приложения все равно приходилось просто из за несовпадения настольных и мобильных ОС (Windows или MacOS -> Android) и форм-факторов, причем, обычно это оказывалось даже труднее, чем возможный переход от x86 к ARM; а во-вторых, за время безраздельного господства ARM на мобильном рынке, все компании, желавшие создать мобильные версии своих настольных продуктов, уже сделали это для ARM-устройств, так что появление x86 только добавило им хлопот - необходимость создавать и поддерживать версии приложения для разных CPU.
Как бы то ни было, при глобальной реорганизации 2016 года направление Atom для мобильных устройств было срублено под корень.

Однако труд создателей процессоров даром не пропал. В Intel появилось новое направление, которое постепенно стало одним из ключевых: «интернет вещей». Именно совокупность компонентов «интернета вещей» является оптимальным потребителем процессоров семейства Atom с их низким энергопотреблением и широким диапазоном характеристик. Так мы незаметно приблизились к нашему времени.

К настоящему моменту Intel выпустил огромное количество моделей Intel Atom, однако актуальных из них не так и много. Это прежде всего свежеанонсированная серия Е3900 (ее сравнительную таблицу вы видите выше). Серия призвана закрыть потребность в высокопроизводительных хабах «интернета вещей» (запросы поскромнее призваны удовлетворять платформы Intel Galileo, Edison и Curie).

Однако это еще не предел «прокачки» Атома. Тут мы подходим к новому анонсу. На смену «серверной» линейки Atom C2000 образца далекого 2013 года приходит серия С3000 , которая призвана поднять производительность Intel Atom на новую высоту. Флагманом серии станет 16-ядерная модель - столько ядер в Atom еще не было никогда. При этом все «фирменные» особенности - энергоэффективность и доступная для серверных моделей цена - остаются неизменными. Пока что доступна информация об одном из младших моделей серии - процессоре C3338 . Анонсы остальных ждем во втором полугодии 2017 года.

Характеристики ноутбука определяются его центральным процессором. На ноутбуках не используются мощные видеокарты, поэтому в любых программах и играх все вычисления ложатся именно на центральный процессор. Специально для ноутбуков, нетбуков, планшетов и промышленных компьютеров была разработана серия Intel Atom. Процессоры отличаются низким энергопотреблением. В среднем оно в 2-10 раз ниже, чем у CPU для стационарных компьютеров. При этом у них такая же интеловская архитектура и производительность (при равной тактовой частоте и количеству ядер). Все поддерживаемые программы такие же.

Процессоры Intel Atom ставятся только в бюджетную технику. Это одна из причин, почему они так популярны в офисной технике, низкая цена их делает очень удобными для групповой закупки различными организациями. Их недостаток (отсутствие сокета, процессор часто можно заменить только с материнской платой) с лихвой компенсируется низкой стоимостью.

Характеристики процессоров серии Atom

• Тактовая частота - 1,2-2,1 ГГц.
• Число ядер 1, 2 или 4.
• Память на материнской плате DDR2 и DDR3.
• Годы производства - с 2008 (активно выпускается в настоящее время, выходят новые модификации).
• Технопроцесс - 45-14 Нм.
• Энергопотребление от 0,65 Вт (пока что только для смартфонных версий, для ноутбуков 10 Вт).
• Применение - ноутбуки, нетбуки, планшеты, смартфоны, офисные компьютеры.

Линейка Intel Atom использует все современные технологии для повышения производительности: множитель частоты, разделение вычислений на потоки, плавающая частота с возможностью разгона. Продукты компании постоянно совершенствуются и обновляются.

Технопроцесс

• 2008-2011 - 45 нм.
• 2011-2013 - 22 нм.
• 2013 – настоящее время - 14 нм.

Уменьшение технологического процесса означает физическое уменьшение размеров транзисторов при их печати на кристалле. Одновременно с их уменьшением падает энергопотребление, снижается температура и увеличивается надежность. Учитывайте это при покупке ноутбука.

5 режимов энергосбережения

1. Обычная работа на полную или частичную мощность. Включены все порты, видеоконтроллер. Оба ядра и множитель. Энергопотребление - максимальное при 100% загруженности и линейно от нее зависит.
2. Режим обычной работы, но с пониженной частотой (в характеристиках указывается как LFM).
3. Отключение множителей частоты, общее снижение частоты тактирования, понижение напряжения питания.
4. Почти полное отключение тактирования, работают контроллеры портов.
5. Отключение процессора, но с возможностью его мгновенного включения при запуске приложения или других ручных действий пользователя. Из 203 выводов процессора активны лишь 21. Энергопотребление составляет 0,03-0,1 Вт.

Эти режимы работают в минус: т.е. только уменьшая тактовую частоту и производительность от номинальной. На самых новых процессорах добавился режим «форсажа». В этом случае тактовая частота поднимается выше. Именно с этим связанно нечеткое ее указание в характеристиках ноутбука, например, 1,8-2,2 ГГц.

Число ядер

Процессоры с одним ядром нельзя рекомендовать как современные. Многие приложения на них просто не запустятся. Два ядра уже в корне меняют производительность. Здесь дело ни сколько в ее двукратном повышении, сколько в особой архитектуре. Не все программы чувствительны к тактовой частоте процессора. Для многих куда важнее специализированная архитектура.

Производители и модели ноутбуков

1. IRBIS (Ирбис ). Выпускает наибольшее число моделей ноутбуков с Атомом. Модели NB11, NB20, 21, 24, 26, NB45, NB47 …. NB 116. Ноутбук NB116 комплектуется самым современным процессором из серии Атом: Atom x5-Z8350 на 4 ядра с автоматическим увеличением тактовой частоты до 1,9 ГГц. В остальных стоят бюджетные Intel Atom Z3735, 4 Ядра 1,3 ГГц. Начало производства этих процессоров май 2014 г.
2. . Также использует серию Z3735. Выпускает две модели.
3. DEXP . Выпускает модель Navis L100. Версия CPU - Intel Atom Z3735 (наиболее частая для бюджетных ноутбуков).
4. BBmobile , Krez , 4 Good и другие менее известные фирмы. Число моделей ноутбуков с атомом у них невелико.

Intel Atom для офисных компьютеров и специальных целей

Компания Intel предлагает несколько версий процессоров, пригодных для работы в обычных системных блоках. Они устанавливаются на материнские платы с памятью DDR2 и DDR3. Под DDR4 версии пока нет, т.к. этот стандарт только вводится на игровых компьютерах и для ноутбуков совершенно неактуален. Использование Intel Atom - возможность получить системный блок без вентиляторов. Такое решение подходит для специальных компьютеров, для промышленности, платежных терминалов и другой техники. Itnel Atom для материнских плат не комплектуются сокетом и припаиваются к ним стационарно. Замена возможна только в сервисном центре с использование оборудования для микропайки.

• Процессоры одной серии имеют версии для компьютеров, ноутбуков, автомобильных консолей, и мобильных устройств (таких примеров среди других фирм нет).
• Intel Atom ставится только на бюджетные ноутбуки.
• Кристалл имеет 5 режимов энергосбережения + режим форсажа.
• В материнских платах под данные процессоры северный и южный мост объединены.
• Процессоры Intel много лет считаются самыми надежными в мире.
• Общее число моделей серии Atom - более сотни.
• Все процессоры не имеют сокета и припаиваются к материнской плате (но их замена все равно возможна в сервисном центре).
• Мобильные Intel Atom имеют специальные участки архитектуры чипа для воспроизведения видео и аудио. Такая архитектура экономит энергию.
• Производство мобильных версий остановлено в 2016 по коммерческим соображениям.
• В нынешнее время Intel разрабатывает для ноутбуков процессор из серии Atom с 16 ядрами.

Дата публикации:

15.06.2009

Последние полгода значительно увеличился объем продаж ноутбуков, и самую значительную роль в том сыграли нетбуки. Что интересно, при этом упали продажи дорогих ноутбуков. Это и понятно: покупатели научились ценить деньги и вкладывать их с умом.

На общем фоне мирового кризиса, такие гиганты как ASUS, Acer и Dell объявили о высоких процентах прибыли именно благодаря продаже нетбуков.

Откуда растут ноги у нетбуков?

Понятие нетбуков появилось в 2008 году на Форуме Intel для разработчиков в Шанхае. По мнению компании Intel основной вектор развития мобильных устройств - создание дешевых мобильных интернет-устройств (MID). Такие устройства обеспечивают главное - доступ к сетям и информации в любое время и в любом месте в течение продолжительного времени. Эти устройства должны быть компактными и по истине портативными. На IDF Intel и представила соответствующую платформу Intel Centrino Atom и тем самым анонсировали появление устройств, построенных на архитектуре Atom и названных с подачи Intel нетбуками.

Нетбуки (netbook) - это семейство ноутбуков, предназначенных для работы в сети Интернет и ни для чего более (net - сеть, book - сокращение от notebook).

Нетбуки относятся к классу ноутбуков, называемых субноутбуками, то есть маленькими портативными ноутбуками с сверхнизким энергопотреблением. Такие ноутбуки имеют невысокую стоимость (от 200 до 600 у.е.), массу порядка 1 кг, небольшой дисплей (от 7 до 10 дюймов). Как известно, для работы в сети не требуется высокой производительности, следовательно от нетбуков не следует ожидать высокой производительности.

Процессорная технология Intel Centrino Atom, ранее известная под кодовым наименованием Menlow, включает первый процессор Intel Atom (ранее известные как Silverthorne ) и системный контроллер-концентратор Intel System Controller Hub (Poulsbo ). Эти компоненты с самого начала разрабатывались для сегмента MID.

Все мобильные системы оцениваются по соотношению производительности на 1 Ватт потребляемой мощности, показывая, что это всегда компромисс между производительностью и энергопотреблением. Ну а как известно, энергоемкие устройства требуют и больших по габаритам источников питания. Следовательно, снижая потребление энергии, разработчики автоматически уменьшают габариты устройств.

Архитектура Intel Atom

Новая микроархитектура основана на 45-нм производственном процессе, использующем новые транзисторы с металлическим затвором и диэлектриком high-k. На удивление, Atom полностью совместим с набором команд Intel Core 2 Duo, поддерживает Hyper-Threading и расширение набора мультимедиа команд SSE3. Поддерживается даже виртуализация Intel VT. Правда для мобильных задач она не нужна, но видимо разработчики хотят использовать эти процессоры как идеологию развития архитектуры во всех направлениях, создавая как бы универсальный процесс, а потом дорабатывая его в том или ином направлении. Можно сказать, что с учетом заложенных возможностей микроархитектура Intel Atom – основа для будущих процессоров.

В микроархитектуре Intel Atom реализованы революционные функции управления питанием, такие как состояние ожидания Intel Deep Power Down (C6), технология Enhanced Intel SpeedStep, активное стробирование генератора тактовых импульсов, режим CMOS и Split I/O. Все эти новшества позволяют оптимизировать энергопотребление и тепловыделение как в целом, так и в режимах ожидания, работы и пиковых нагрузок.

Процессор Intel Atom на сегодня является самым маленьким процессором Intel. Он даже меньше микросхем чипсета! При этом он самый быстродействующий процессор в мире, потребляющий менее 3 Вт электроэнергии. Один кристалл площадью менее 25 мм2 содержит более 47 миллионов транзисторов (значительно меньше настольных процессоров).


Тепловая мощность новых процессоров составляет 0,65-2,4 Вт, средняя потребляемая мощность не превышает 160-220 мВт , а в состоянии ожидания эти устройства потребляют всего 80-100 мВт.

Энергопотребление процессора Intel Atom в состоянии простоя определялось как потребляемая мощность в состоянии Intel Deep Power Down (состояние C6). Технология Intel Deep Power Down (C6) переводит процессор в состояние с минимальным энергопотреблением за счет отключения основного генератора тактовых импульсов системной шины, контура PLL=Phase-locked loop (ФАПС, система фазовой автоподстройки частоты), кэш-памяти первого и второго уровня.

С точки зрения схемотехники материнской платы PLL управляет динамическим снижением частоты системной шины и её автоподстройкой. Если оптимально настроить систему так, чтобы частота шины быстро динамически снижалась при отсутствии нагрузки, то этим можно сэкономить больше половины энергии подаваемой на генерацию импульсов на шине.

Кэш-память надо отключать по понятным причинам: там содержится основное количество транзисторов процессора: отключив их сэкономим вторую большую долю энергии источника.

Комплект компонентов на базе процессорной технологии Intel Centrino Atom, включающий системный контроллер-концентратор Intel System Controller Hub и процессор Intel Atom с частотой 800 МГц, 1,10, 1,33, 1,60 или 1,86 ГГц , стоит 45, 45, 65, 95 и 160 долларов США соответственно (при заказе от 1000 штук). Как мы видим, такие решения не дороги и позволяют создавать системы в пределах 200-400 у.е.

Семейство Intel SCH с самого начала разрабатывалось как высокопроизводительное энергосберегающее решение для однокристальных устройств с высокой степенью интеграции. Контроллер Intel SCH включает интегрированную графику с аппаратным ускорением декодирования видео, поддерживающее режимы HD 720p и 1080i. Поддерживаются все стандартные интерфейсы ввода/вывода для настольных компьютеров и карманных устройств, в том числе PCI Express, SDIO и USB.
Intel представила три версии SCH, поддерживающие модули памяти DDR2 400/533 МГц объемом 512 МБ/1 ГБ, видео как в стандартном разрешении, так и высокой четкости, технологии Intel High Definition Audio, DX9L и OpenGL.
На уровне драйверов есть поддержка различных ОС.

Мобильные интернет-устройства на базе Intel Atom собрались производить компании Aigo, Asus, BenQ, Clarion, Fujitsu, Gigabyte, Hanbit, KJS, Lenovo, LG-E, NEC, Panasonic, Samsung, Sharp, Sophia Systems, Tabletkoisk, Toshiba, USI, WiBrain и Yuk Yung.
Как видно, большая часть из этих компаний представляют сегмент мобильных устройств, коммуникаторов, наладонных компьютеров и единицы - сегмент субноутбуков.

Применение во встраиваемых системах

Встраиваемые решения - это отраслевые и промышленные решения (прежде всего контроллеры автоматики, медицинские и военные системы, измерительные приборы), характеризующиеся высокой надежностью и низким энергопотреблением. Такие системы имеют малые размеры, низкий профиль корпуса и пассивное охлаждение. Долгое время в этом сегменте соседствовали Intel Celeron M с чипсетом i945GME Express и менее "прожорливый" VIA C7. Настало время сместить этих апологетов постоянства - дошло изменение архитектура и до сегмента встраиваемых систем.
Этого следовало ожидать: все тенденции шли к уменьшению размеров кристалла и скрещивания производительности настольных чипов, оптимизации из серверного сегмента и мобильных кристаллов с низким и ультранизким энергопотреблением. И итогом совмещения стал Intel Atom.

Процессор Intel Atom и контроллер Intel SCH решено продвигать и в сегменте встраиваемых систем. В этом сегменте компания предлагает две модели процессоров: Atom Z530 с частотой 1,6 ГГц и Z510 с частотой 1,1 ГГц. Они расчитаны на 7-летний жизненный цикл. Естесвенно, Intel представил для разработчиков и все средства для внедерения новых CPU в embedded-системы.

Новая архитектура на 2 микросхемах (чипсет одночиповый) позволит более чем на 80% уменьшить размер устройств по сравнению с предыдущим решением, включавшим три микросхемы (Celeron M ULV и 945GME Express).

Процессоры Atom в сухом остатке

Итак, все кристаллы Intel Atom выполнено по 45-нм техпроцессу с использованием металлических затворов и диэлектриков Hi-k и условно могут быть разделены на CPU для нетбуков и неттопов и CPU для мобильных интернет-устройств.
Частично эти кристаллы унаследовали многое от архитектуры Centrino 2, но были оптимизированы и кое-где урезаны.

CPU для нетбуков и неттопов

Все эти кристаллы имеют 1 ядро, кроме модели 330 : она получила 2 ядра и 2 кэша L2 объемом 512К на каждое ядро (общий объем - 1МБ). Все остальные чипы имеют кэш L2 объемом 512 Кбайт.

Процессоры с буквой Z в маркировке имеют наименьшее энергопотребление - от 0,65 Вт (Z500) до 2,4 Вт (Z550). Модели Z500, Z510, Z515 работают с частотой шины 400 МГц (для уменьшения энергопотребления).
Z520, Z530, Z540, Z550 более энергоемкие, так как тактируются частотой шины 533 МГц.

Все эти модели появились в 1 квартале 2009 года.

Ранее появилась одна единственная модель N270 . Она рассчитана на тепловыделение (TDP) 2.5 W (температура до 90 градусов, против 85 у модели Z530 с такой же частотой). Она отличается только тем, что напряжение питания ядра у нее изменяется в пределах 0.9V-1.1625V, а у Z530 - от 0,8 V. Именно поэтому N270 и кушает 2,5 Вт, а не 2,4 Вт. Фактически, Z530 можно считать оптимизированной моделью N270.

Кристалл N270 имеет размеры 26 mm2 (22х22 мм), содержит 47 миллионов транзисторов и выполнен в новом корпусе PBGA437. Это означает, что его нет возможности установить в существующие системы Centrino 2.

Все производители нетбуков, которые представили свои решения в 2008 году, базировали их на N270.

Самые "жаркие" кристаллы Intel Atom - модели 230 и 330 . Фактически, это один и тот же процессоров. Отличие заключается в том, что 330 модель содержит 2 одинаковых ядра и, соответственно, кэш в 2 раза большей емкости.
Ну и как следствие - TDP у 330 выросло с 4 Вт до 8 Вт.
Кстати, только эти кристаллы из всех Atom 64-разрядные!

CPU для мобильных интернет-устройств

Фактически, это те же самое процессоры с теми же спецификациями, однако в несколько другом схемотехническом применении.
Вместо стандартного чипсета они предполагают использоваться в паре с кристаллами контроллера-концентратора системы Intel UL11L, US15L, US15W .

CPU для настольных ПК

В принципе, процессоры Atom можно с легкостью использовать для построения недорогих офисных ПК, чем и воспользовались многие ОЕМ-сборщики.

Подразумевается использование процессоров Atom N270, 230 и 330 с чипсетом i945GC Express.

В целом, можно резюмировать, что Intel Atom - самый мобильный и неэнергоемкий процессор для нетбуков и мобильных систем на данный момент.

Intel Atom — это процессоры для недорогих и небольших ноутбуков, нетбуков, неттопов и планшетов/смартфонов. Их архитектура позволила сделать их энергоэффективными и совсем не дорогими.

Изначально серия Atom включает в себя два семейства: серию Z (кодовое имя Silverthorne) для планшетов и некоторых неттопов и серию N (кодовое имя Diamondville) для более традиционных нетбуков и неттопов. Оба семейства производятся по 45-нм техпроцессу и включают в себя поддержку MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, Intel 64, XD-Bit и IVT. Производительные модели также поддерживают Hyper-Threading.

Производительность самых быстрых процессоров Intel Atom лучше, чем у Celeron. Например, Atom 1,6 ГГц вполне сравнима с Pentium M 1,2 ГГц.

Ближе к концу 2009 года Intel представила второе поколение процессоров Atom — Pineview. Они комплектовались графикой GMA 3150 и контроллером памяти DDR2. Atom N450 и N470, произведенные по 45-нм техпроцессу, в свое время были весьма популярными, так же, как и N280 до этого. Самые последние модели линейки включают поддержку памяти DDR3 (например, N455) и варианты с двумя ядрами.

Платформа Oak Trail (32-нм техпроцесс) была представлена в 2011 году, и она напрямую произошла от Silverthorne. Она предназначена для планшетов и нетбуков, ее индекс — Z600. Ядро очень похоже на серию Pineview, однако система-на-чипе теперь включает в себя графику GMA 600 от PowerVR.

Современные процессоры Intel Atom

Saltwell (32 нм), 2012-2013 год

Penwell (32 нм), 2013-2014 год

Cloverview (32 нм), 2013 год

Cloverview (32 нм), 2013 год

Cedarview (32 нм), 2011-1012 год

Являются частью платформы Cedar Trail. Встроенная графика обеспечивает воспроизведение видео 1080р, разрешение экрана — до 2560х1600 пикселей.

Cedarview-M (32 нм), 2011 год

Поддерживается до 2 Гб оперативной памяти DDR3-800.

Merrifield (22 нм), 2014 год

Энергопотребление в 4,7 раза меньше, чем у Saltwell. Два ядра Silvermont, графическое ядро — PowerVR G6400. Контроллер памяти LPDDR3 -533 до 4 Гб.

Bay Trail-T (22 нм), 2014 год

Прирост производительности по сравнению с Clover Trail — 50-60%. Имеют низкое энергопотребление. Графика (Gen 7) в чипах без индекса D поддерживает разрешение 2560х1600 пикселей, с индексом D — 1920х1200. Контроллер памяти — LPDDR3-1066 до 4 Гб. Все процессоры — четырехъядерные. Нет поддержки Hyper-Threading.

Часть 1: Предыстория, Теория, Ядро, Сила

До Атома

Компания Intel давно стала обращать пристальное внимание на мобильный потребительский сектор и выпускать ориентированные на него продукты. Поначалу это были процессоры, подобранные по малому энергопотреблению при прочих равных параметрах (разве что частоты пониже, да корпус поменьше). Затем стали выпускать ЦП, специально доработанные для подобных применений. Историю можно начать с чипа i80386SL, у которого впервые появился SMM (System Management Mode - режим управления системой), динамическое ядро было заменено на статическое (т. е. для сохранения энергии частота может падать до нуля), и добавлены контроллеры кэша, памяти и шин ISA и PI (Peripheral Interface). Все эти изменения увеличили число транзисторов аж втрое (с 275 000 у обычного 386SX/DX до 855 000), но инженеры посчитали, что такой бюджет оправдан. Помимо этого также были версии i386CX и i386EX без встроенной периферии с тремя режимами энергосбережения.

Много воды утекло, каждый следующий ЦП (кроме серверных) выпускался как в обычном, так и в мобильном (иногда ещё и во встроенном) варианте, но все манипуляции в основном заключались в добавлении к ядру энергосберегающих режимов и отборе чипов, способных работать на пониженном напряжении при пониженных частотах. Между тем, конкуренция со стороны архитектур, разработанных специально для мобильных устройств, усилилась: 1990-е принесли появление PDA (начиная с Apple Newton MessagePad), а 2000-е дали коммуникаторы, интернет-планшеты (полузабытая аббревиатура MID) и ультрамобильные ПК (UMPC). В довесок ко всему оказалось, что основные задачи для пользователя таких устройств имеют небольшие вычислительные потребности, так что почти любой ЦП, выпущенный после 2000 г., уже обладал нужной мощностью для мобильного применения, кроме, разве что, современных игр (для которых как раз тогда появились мобильные консоли с 3D-графикой).

Назрела необходимость сделать специальную архитектуру для компактного мобильного устройства, где главное - не скорость, а энергоэффективность. В Intel такую задачу взяло на себя израильское отделение компании, создавшее до этого весьма удачное семейство мобильных процессоров Pentium M (ядра Banias и Dothan). В этих ЦП энергосберегающие принципы были поставлены во главу угла с самого начала разработки, так что динамическое отключение блоков в зависимости от их загрузки и плавное изменение напряжения и частоты стало залогом экономности серии. Особенно ярко Pentium M смотрелись на фоне выпускаемых тогда же Pentium 4, которые в сравнении с ними казались раскалёнными сковородками. Причём, работая на одной частоте, Pentium M выигрывали у «четвёрок» по производительности, что вообще впервые случилось в практике процессоростроения - обычно мобильный компьютер расплачивается за свою компактность всеми остальными характеристиками. Впрочем, и сами-то Pentium 4 были, скажем так, не очень хороши в роли универсального ЦП…

Успех платформы показал, что такая высокая скорость нужна не всем, а вот сэкономить ещё энергии было бы неплохо. На тот момент (середина 2007 г.) Intel выпустила «папу» наших сегодняшних героев - процессоры A100 и A110 (ядро Stealey). Это 1-ядерные 90-нанометровые Pentium M с четвертью кэша L2 (всего 512 КБ), сильно заниженными частотами (600 и 800 МГц) и потреблением 0,4–3 Вт. Для сравнения - стандартные Dothan при частотах 1400–2266 МГц имеют энергорасход 7,5–21 Вт, низковольтные (подсерия LV) - 1400–1600 МГц и 7,5–10 Вт, а впервые введённые ультранизковольтные (ULV) - 1000–1300 МГц и 3–5 Вт. Резонно полагая, что современный компьютер большую часть времени проводит в ожидании очередного нажатия клавиши или сдвига мыши ещё на один пиксель, главным отличием A100/A110 от подсерии ULV Intel сделала умение очень глубоко засыпать, когда считать не надо совсем, благодаря чему потребление при простое падает на порядок. А сильно сокращённый кэш (большой L2 на таких частотах не очень-то и нужен) помог уменьшить размер кристалла, что сделало его дешевле. Размер корпуса процессора уменьшился впятеро, а суммарная площадь ЦП и чипсета - втрое. Как мы увидим далее, такие приёмы были использованы и в серии Atom.

Несмотря на в принципе верное целеполагание, A100/A110 остались мало востребованы рынком. То ли 600–800 МГц оказалось всё же маловато даже для простенького интернет-планшета, то ли всего два чипа (что даже модельным рядом назвать трудно) с самого начала были экспериментальным продуктом для обкатки технологии, то ли процессор просто не раскрутили маркетологи, зная, что ему на смену идёт кое-что куда более продвинутое… Менее чем через полгода после выпуска A100/A110 26 октября 2007 г. Intel объявила о близком выпуске новых мобильных ЦП с кодовыми именами Silverthorne и Diamondville и ядром Bonnell - будущих Атомов. Кстати, название Bonnell произошло от имени холмика высотой 240 м в окрестностях г. Остин (штат Техас), где в местном центре разработки Intel располагалась малочисленная группа разработчиков Атома. «Как вы яхту назовёте, так она и поплывёт.» ©Капитан Врунгель

В 2004 г. эта группа, после отмены ведомого ею проекта Tejas (наследника Pentium 4), получила прямо противоположное задание - проект Snocone по разработке крайне малопотребляющего x86-ядра, десятки которых объединит в себе суперпроизводительный чип с потреблением 100–150 Вт (будущий Larrabee, недавно переведённый в статус «демонстрационного прототипа»). В группе оказалось несколько микроэлектронных архитекторов из других компаний, включая и «заклятого друга» AMD, а её глава Belli Kuttanna работал в Sun и Motorola. Инженеры быстро обнаружили, что различные варианты имеющихся архитектур не подходят их нуждам, а пока думали дальше, в конце года CEO Intel Пол Отеллини сообщил им, что этот же ЦП также будет и 1-2-ядерным для мобильных устройств. Тогда было тяжело предположить, как именно и с какими требованиями такой процессор будет применяться через отведённые на разработку 3 года - руководство с большой долей риска указало на наладонники и 0,5 Вт мощности. История показала, что почти всё было предсказано верно.

Устройство CE4100

Интересно, что уже вслед за Атомом летом 2008 г. был выпущен EP80579 (Tolapai) для встраиваемых применений с ядром Pentium М, 256 КБ L2, 64-битным каналом памяти, полным набором контроллеров периферии, частотами 600–1200 МГц и потреблением 11–21 Вт. А почти сразу после него - модель Media Processor CE3100 (Canmore) для цифрового дома и развлечений: архитектура Pentium М, частота 800 МГц, 256 КБ L2, три 32-битных канала контроллера памяти, 250 МГц RISC-видеосопроцессор и два 340 МГц ядра DSP (цифровой сигнальный процессор) для аудио. Как покупались эти штуки - не ясно, т. к. после анонса о них не было слышно ничего в т. ч. и от Intel. Видимо, не очень… Уже после расцвета Атома, в сентябре 2009-го, Intel повторила попытку и выпустила CE4100, CE4130 и CE4150 (Sodaville) уже на «атомном» ядре частотой 1200 МГц, двумя 32-битными каналами DDR3, обновлённой периферией и технормой 45 нм. И вновь с тех пор об этих высокоинтегрированных системах-на-чипе (SOC) мало слышно. Может быть, рынок не готов встретить героя?
Слева CE4100, справа - CE3100

Теория Атома

Для начала рассмотрим основные характеристики процессора с точки зрения потребителя. Их три: скорость, энергоэффективность, цена. (Правда, энергоэффективность - не очень-то «потребительская» характеристика, но, тем не менее, именно по ней проще всего судить о некоторых важных параметрах конечного устройства.) Далее вспомним, что у идеальной КМОП-микросхемы (по этой технологии изготавливаются все современные цифровые чипы) потребление энергии пропорционально частоте и квадрату напряжения питания, а пиковая частота линейно зависит от напряжения. В результате, уполовинив частоту, мы можем уполовинить напряжение, что в теории уменьшит потребление энергии в 8 раз (на практике - в 4–5 раз). Таким образом, мобильный процессор должен быть низкочастотным и низковольтным. Как же тогда он окажется быстрым? Для этого надо, чтобы за каждый такт он выполнял как можно больше команд, что чаще всего означает увеличение числа конвейеров (степени суперскалярности) и/или числа ядер. Но это ведёт к резкому росту транзисторного бюджета, что увеличивает площадь чипа, а значит и его стоимость.

Таким образом, выиграть по всем трём пунктам не получится даже теоретически (чем и объясняется присутствие на рынке такого разнообразия процессорных архитектур). Поэтому где-то придётся сдать позиции. Исторический экскурс говорит, что сдать надо в скорости, что даст возможность сделать ядро ЦП максимально простым. Именно по этому пути и пошли инженеры из Остина. Обдумав варианты, они решили вернуться к архитектуре 15-летней давности, первый и последний раз (среди процессоров Intel) использовавшейся в первых Pentium. А именно: процессор остаётся суперскалярным (т. е. 2 команды за такт у нас будет - но не 3–4, как в современниках Атома), лишается механизма перетасовки команд перед исполнением (OoO), но приобретает то, чего у Pentium не было - технологию гиперпоточности (HyperThreading, HT), позволяющую на базе одного физического ядра эмулировать для ОС и ПО наличие двух логических. Чтобы объяснить, почему был сделан именно такой выбор, читателю рекомендуется сначала вспомнить все возможные способы увеличения производительности ЦП . А теперь оценим их с позиции потребления энергии и транзисторных затрат.

Использование многопроцессорной конфигурации в карманном или наколенном устройстве недопустимо, а вот многоядерность - вполне, если не хватает скорости одного ядра. Поначалу Intel сделала это тем же способом, что и в первых 2-ядерных Pentium 4 - поставив пару одинаковых 1-ядерных чипов на общую подложку и общую шину до чипсета. Из других разделяемых ресурсов есть лишь питающее напряжение, которое выбирается из максимума двух запросов. Т. е. ядра могут отдельно изменять свои частоты, но засыпают и пробуждаются синхронно. В декабре 2009 г. Intel выпустила первые интегрированные версии Атомов, где на одном кристалле есть 1–2 ядра и северный мост. На плате остался южный мост, соединённый с ЦП шиной DMI, что чуть быстрее и экономней предыдущей комбинации. Больше двух ядер нам скоро не предложат, так что основной скоростной упор сделан на их внутренности.

Вопрос повышения частотного потолка инженеров Intel на этом этапе тоже не очень волновал, хотя отказываться от принципа конвейерности и декодирования команд х86 во внутренние микрооперации (мопы) никто не собирался - это был бы слишком радикальный шаг назад. А вот предсказатели переходов, предзагрузчики данных и прочие вспомогательные системы заполнения конвейера стали очень важны, т. к. простаивающий конвейер, не умеющий исполнять другие команды в обход застрявшей, означает выкинутые насмарку драгоценные ватты - и у Атома все необходимые «подпорки» сделаны ненамного хуже, чем у Pentium M и более современных ему Core 2, разве что размеры буферов поменьше (опять же ради экономии). В итоге, основная битва разыгрывается вокруг производительности за такт.