آشنايي با پردازنده هاي Atom اينتل

Intel Atom، يک نام تجاري براي يک خانواده از ميکروپروسسورهاي x-86 و x86-84 بسيار کم ولتاژ ( و طبعاَ کم مصرف) شرکت اينتل است که با استفاده از فناوري ساخت 45 نانومتري CMOS طراحي شده و اساساً در نت بوک ها، تلفن هاي هوشمند، handheldها، تب لت ها، نت تاپ ها و MIDها (Mobile Internet Devices) مورد استفاده قرار مي گيرد. پردازنده اتم، يک جانشين مستقيم براي ميکروپروسسورهاي کم مصرف Intel A100/ A110 با فناوري ساخت 90 نانومتري محسوب مي شود. اين پردازنده اختصاصي شرکت اينتل، بطور کلي، براي MIDها (Mobile Internet Devices) طراحي شده و براي رقابت با پردازنده هاي ARM در نظر گرفته شده اند. پردازنده هاي اين خانواده که در ابتدا با نام هاي Silverthorne و Diamondville شناخته مي شدند، با نام Atom وارد بازار شدند.
پردازنده هاي Atom، داراي مجموعه دستورالعملهاي مدرن (EM64T, SSE3و...) بوده که بر روي يک معماري قديمي تر پيوند شده اند. Atom اولين پردازنده in-Order x86 از زمان عرضه Pentium به بعد است. مديريت مصرف برق و هزينه هاي توليد، دو ضرورتي هستند که به نظر مي رسد اينتل را در مسير توسعه اين محصول هدايت کرده اند، البته به بهاي قرباني کردن قدرت عملکرد، که البته با توجه به نوع کاربري آن کاملاً قابل توجيه است.

طراحي به عنوان يک پردازنده کم مصرف
 

مصرف برق و ادغام يک پردازنده در ابزارهاي قابل حمل يا embedded، هميشه مشکلاتي را براي اينتل بوجود آورده و اين اولين باري است که شرکت اينتل پردازنده هايي را به هدف بکارگيري در اين حوزه ارائه مي کند. اما Atom داراي يک تفاوت جدي است، زيرا از يک معماري جديد استفاده مي کند که براي کاهش مصرف برق، توسعه يافته است.
Atom يک معماري متفاوت به حساب مي آيد زيرا طراحي شده است تا مصرف برق را کاهش دهد و از يک طراحي کاملاً جديد استفاده مي کند. اين طراحي، به هيچوجه يک اقتباس از معماري هاي قبلي نيست. اينتل اکنون قادر است پردازنده هايي را عرضه کند که برق بسيار اندکي را مصرف مي کنند. پردازنده هاي سطح بالاي Atom، برق کمتري را در مقايسه با نسخه هاي ULV معماري هاي استاندارد ( که بطور کلي بسيار کند هستند) مصرف مي کنند.

معماري Atom
 

پردازنده هاي Atom از يک معماري جديد، اما فناوري هاي قديمي تر استفاده مي کنند. اين اولين پردازنده In-Order x86 اينتل از زمان Pentium به بعد (1993) به حساب مي آيد. تمام پردازنده هاي ديگر اينتل ( از زمان P6 به بعد) از يک معماري Out-of-Order استفاده مي کنند.

مفهوم In-Order
 

براي ساده تر شدن موضوع، تصور کنيد که پردازنده دستورالعمل ها را به ترتيب ( يک به يک ) دريافت نموده و آنها را پيش از اجرا در خط لوله خود قرار مي دهد. در يک معماري In-Order، دستورالعمل ها به همان ترتيبي که دريافت شده اند اجرا خواهند شد، در حاليکه يک معماري Out-of-Order قادر است ترتيب آن ها را در خط لوله خود تغيير دهد. مزيت اين شيوه در آن است که مي تواند Lossها را محدود نمايد.
براي مثال اگر شما يک دستورالعمل محاسباتي ساده، يک دسترسي به حافظه و سپس يک محاسبه ساده ديگر داشته باشيد، يک معماري In-Order سه عمليات مذکور را يکي پس از ديگري انجام خواهند داد در حاليکه با معماري Out-of-Order، پردازنده مي تواند دو محاسبه را بطور همزمان انجام داده و سپس به حافظه دسترسي پيدا کند که يک صرفه جويي آشکار در زمان را ايجاد خواهد نمود.
بطور نسبتاً غافلگير کننده اي، در حاليکه معماري هاي In-Order عموماً از يک خط لوله کوتاه استفاده مي کنند، Atom داراي يک خط لوله 16 مرحله اي است که مي تواند در شرايط معيني يک نقيصه باشد.
HyperThreading

‎‎
 

HyperThreadingيک فناوري است که با Pentium 4 معرفي شد. اين فناوري مي تواند دو رشته را با استفاده از بخش هاي بلااستفاده خط لوله پردازنده بطور همزمان پردازش نمايد. در حاليکه اين فناوري به اندازه دو هسته پردازشي واقعي کارآمد نخواهد بود، اما قادر است شرايطي را بوجود آورد که سيستم عامل تصور نمايد پردازنده قادر به پردازش همزمان دو رشته است و به اين ترتيب عملکرد کلي سيستم را افزايش دهد. بر روي Atom که معماري In-Order آن با يک خط لوله طولاني همراه شده است، فناوري HyperThreading مي تواند بسيار مؤثر باشد. در عين حال، اين فناوري عملکرد سيستم را بدون تأثيرگذاري بر TDP پردازنده بطور چشمگيري افزايش مي دهد. اينتل ادعا مي کند که مصرف برق در هنگام استفاده از اين فناوري تنها 10 درصد افزايش خواهد يافت.

هسته پردازشي
 

پردازنده هاي Atom به دو ALU ( واحدهائي که وظيفه انجام محاسبات عدد صحيح را بر عهده دارند) ودو FPU (واحدهاي اختصاص يافته به محاسبات اعشاري که مثلاً براي اجراي بازي ها از اهميت بسيار زيادي برخوردارند) مجهز است. اولين ALU مديريت عمليات Shift و دومين ALU مديريت Jump ها را بر عهده دارند. تمام عمليات ضرب و جمع، حتي در اعداد صحيح بطور خودکار به FPU ها فرستاده مي شوند. اولين FPU از نوع ساده بوده به عمليات جمع محدود شده است، در حاليکه FPU دوم قادر به اداره SIMD بوده و عمليات ضرب/ تقسيم را انجام مي دهد. توجه داشته باشيد که براي محاسبات 128 بيتي، از اولين انشعاب به همراه انشعاب دوم ( هر انشعاب، 64 بيت) استفاده مي شود.

بهينه سازي دستورالعمل هاي ابتدائي
 

اگر به تعداد سيکل هاي مورد نياز براي اجراي دستورالعمل ها نگاهي بيندازيد، متوجه يک نکته مهم خواهيد شد: بعضي از دستورالعمل ها سريع و گروه ديگري از آنها ( بسيار) کند هستند. براي مثال، يک mov يا add در يک سيکل اجرا مي شود ( همانند اجراي آن برروي يک Core 2 Duo)، در حاليکه يک عمليات ضرب (imul) به 5 سيکل نياز دارد ( در حاليکه همين دستورالعمل بر روي معماري Core تنها به 3 سيکل نياز خواهد داشت). بدتر اينکه، براي مثال يک تقسيم اعشاري 32 بيتي به 31 سيکل در مقايسه با 17 سيکل ( تقريباً نصف) بر روي يک Core 2Duo نياز دارد. اينتل به اين موضوع اعتراف مي کند که Atom براي اجراي سريع دستورالعمل هاي ابتدايي بهينه سازي شده و اين بدان معني است که عملکرد اين پردازنده با دستورالعمل هاي پيچيده تغيير خواهد کرد. به سادگي مي توان اين موضوع را با استفاده از Everest که شامل ابزاري براي اندازه گيري تأخيرهاي دستورالعمل ها است، بررسي نمود.

کاشه ها و FSB
 

اينتل اين سازماندهي نسبتاً Out-of-Order را ( اما بدون قرباني کردن عملکرد آن) براي Atom انتخاب کرده است؛ يک ويژگي مهم براي پردازنده اي که از يک معماري In-Order استفاده مي کند.

کاشه L1 نامتقارن
 

کاشه L1 پردازنده Atom مجموعاً 56 کيلوبايت ظرفيت دارد: 24 کيلو بايت براي داده ها و 32 کيلوبايت براي دستورالعمل ها. اين عدم تقارن ( که مشاهده آن در يک محصول اينتل تا حدودي غافلگير کننده است)، از ساختار کاشه سرچشمه مي گيرد. اينتل از 8 ترانزيستور ( در مقايسه با 6 ترانزيستور در يک کاشه استاندارد) براي ذخيره سازي يک بيت استفاده مي کند. اين تکنيک، امکان کاهش ولتاژ اعمال شده به کاشه براي نگهداري اطلاعات را بوجود مي آورد. به نظر مي رسد که اين حرکت به سلولهاي 8 ترانزيستوري در اواخر مسير توسعه پردازنده و زمانيکه Atom کاملاً پيشرفته کرده بود به طراحي آن اضافه شده و اين بدان معني است که چاره اي جز کاهش اندازه کاشه براي پياده سازي آن وجود نداشته. به اين ترتيب، مي توان اختصاص 24 کيلوبايت از ظرفيت کاشه به داده ها را توضيح داد.

کاشه L2 قابل کاهش (Shrinkable)
 

کاشه L2 در پردازنده هاي Atom 512 کيلوبايت ظرفيت دارد و بديهي است که با همان فرکانس پردازنده کار مي کند. اين کاشه 8 مسيره نسبتاً کلاسيک بوده و عملکرد آن به نمونه مورد استفاده در Core 2 Duo نزديک است ( تأخير اين کاشه 16 سيکل است، در مقايسه با 14 سيکل براي کاشه Core 2). يک تابع جديد قادر است بخشي از کاشه را غيرفعال نمايد، بنابراين اگر يک برنامه به تمام حافظه کاشه نياز نداشته باشد، بخشي از آن غير فعال خواهد شد. در عمل، کاهش از حالت 8 مسيره به حالت 2 مسيره سوئيچ مي کند ( به اين ترتيب، ظرفيت آن از 512 کيلوبايت به 128 کيلوبايت کاهش مي يابد). اين تکنيک، شيوه ديگري براي کاهش چند ميلي وات ارزشمند است.

FSB‎ ‏با دو حالت عملياتي
 

FSB پردازنده هاي Atom، همان گذرگاه استانداردي است که اينتل از زمان Pentium 4 به بعد مورد استفاده قرار مي دهد. اين گذرگاه در حالت QDR (‏4 طپشي) با سيگنالينگ GTL کار مي کند. يک نکته جالب توجه اين است که Atom از يک فناوري سيگنالينگ ديگر نيز استفاده مي کند: حالت CMOS.GTL بسيار کارآمد است ( گذرگاه در اين حالت مي تواند به 1600 مگاهرتز برسد) اما مصرف برق بالايي دارد، در حاليکه حالت CMOS امکان کاهش ولتاژ گذرگاه را فراهم مي کند. از نظر فني، GTL از مقاومت هايي براي تقويت کيفيت سيگنال استفاده مي کند اما به استثناء فرکانس هاي بالاتر، واقعاً به آنها نياز نخواهد بود. در پردازنده هاي Atom و گذرگاه FSB آنها که به 533 مگاهرتز محدود شده اند، امکان تغيير حالت سيگنالينگ به CMOS وجود دارد که باعث مي گردد مقاومت هاي مذکور غيرفعال شده و ولتاژ گذرگاه به نصب کاهش يابد.

مديريت مصرف برق
 

مصرف برق، موضوع مرکزي اين سکوي اينتل به حساب مي آيد و آنها تلاش زيادي را در اين بخش انجام داده اند. گذشته از چيپ ست که برق زيادي را در مقايسه با پردازنده مصرف مي کند، خود Atom داراي چندين تابع جذاب است.

گذرگاه و کاشه
 

همانطور که قبلاً نيز اشاره کرديم، اينتل تلاش زيادي را در زمينه بهسازي کاشه و گذرگاه پردازنده جديد خود انجام داده است: توسعه يک حالت متفاوت براي گذرگاه ( حالت CMOS) و غير فعال شدن بخش هايي از کاشه بر حسب شيوه استفاده از آن. اين توابع باعث کاهش مصرف برق مي شوند، اما استفاده از يک معماري In-Order و 8 ترانزيستور SRAM براي کاشه L1 نيز مصرف برق را بيش از پيش کاهش خواهند داد. علاوه بر ولتاژ پائين پردازنده ( ‏1/05 ولت)، Atom يک حالت Standby جديد تحت عنوان C6 را نيز معرفي مي کند. بعنوان يک يادآوري، بايد اشاره کنيم که حالتهاي C (‏0 تا 6 )، وضعيت هاي کم مصرف (Low-Power) هستند و هر چه عدد اين وضعيت بزرگتر باشد، مصرف برق CPU پايين تر خواهد بود. در حالت C6، تمام بخش هاي پردازنده تقريباً غير فعال شده اند. تنها يک بخش کوچک از حافظه کاشه ( 10/5 کيلوبايت) براي نگهداري وضعيت رجيسترها فعال نگهداشته مي شود. در اين حالت، کاشه L2 تخليه و غيرفعال مي شود، ولتاژ تغذيه به 0/3ولت کاهش مي يابد و تنها بخش کوچکي از پردازنده ( براي مقاصد Wake-up) فعال باقي مي ماند.
پردازنده مي تواند تقريباً در مدت 100ميکروثانيه به حالت C6 برود که بسيار سريع است. اينتل ادعا مي کند که عملاً در 90 درصد موارد از حالت C^استفاده مي شود که مصرف برق کلي پردازنده را محدود خواهد نمود ( بديهي است اگر شما برنامه اي را اجرا کنيد که به قدرت پردازش زيادي از سوي CPU نياز دارد و يا حتي به تماشاي يک ويديوي Flash بپردازيد، وارد اين حالت نخواهيد شد).

آشنايي مختصر با خانواده پردازنده هاي Atom اينتل
 

نيازهاي بسيار اندک خانواده پردازنده هاي Atom اينتل در زمينه مصرف برق، عمرباتري بسيار طولاني را براي نت بوک هاي مجهز به اين پردازنده فراهم نموده و آن را به يک گزينه بي نقص براي بازار رو به رشد نت بوک ها تبديل مي کند. با وجود آنکه اندازه کوچک کاشه و دامنه پائين سرعت هاي کلاک باعث مي شوند قدرت اين پردازنده ها کمتر از اکثر پردازنده هاي مورد استفاده در نوت بوک ها باشد، اما خانواده Atom شامل مدل هايي با ويژگي هاي پيشرفته تري نظير Hyper Threading است، دو هسته پردازشي، پشتيباني 64 بيتي و Virtualization سخت افزاري با فناوري VT-x است.
پردازنده هاي Atom در اين سري ارائه شده اند:
Z500,N500,N400,N200,D400,D500,E600,Atom 300 و Atom 200

Intel Atom N550
 

اين پردازنده، آخرين نسل از پردازنده هاي دو هسته اي Atom شرکت اينتل است که ويژگي هاي آن عبارتند از:
* 2هسته پردازنده و اجرا در 4 رشته (threads)
* 1مگابايت کاشه L2
* ساختار گرافيکي مجتمع
* پشتيباني از فناوري HyperThreading
* پشتيباني از سيستم هاي عامل و نرم افزارهاي کاربردي 64 بيتي با معماري Intel 64
* حداکثر TDP معادل 8،5 وات
* استفاده از اتصال DMI مابين پردازنده و چيپ ست
* اجرا در فرکانس 1.5GHz
برخي از نت بوک ها که از اين پردازنده استفاده مي کنند، عبارتند از:
Asus Eee PC 1015PN
Asus Eee PC 1015PEM
Acer Aspire One AOD255
Samsung NF310
Atom N550

سري Atom D500
 

سري پردازنده هاي دو هسته اي Atom D500 در حال حاضر جزو پيشرفته ترين اعضاي خانواده Atom به حساب مي آيد. ويژگي هاي مهم اين سري عبارتند از:
* 2هسته پردازنده
* 1مگابايت کاشه L2
* ساختار گرافيکي مجتمع
* پشتيباني از فناوري HyperThreading
* پشتيباني از سيستم هاي عامل و نرم افزارهاي کاربردي 64 بيتي با معماري Intel 64
* استفاده از اتصال DMI مابين پردازنده و چيپ ست
* پشتيباني از يک کانال حافظه DDR2
* حداکثر TDP معادل 13 وات
* مبتني بر معماري Pineview
نمونه اي از نت بوک ها که از اين خانواده از پردازنده هاي Atom بهره مي گيرد:
Asus EEE PC 1215PN (AtOM D525)‎ ‏
4سري Atom D400
سري D400 خانواده Atom، يک نسخه ضعيف شده از سري D500 همين خانواده است. اين سري داراي ويژگي هاي مهم زير مي باشد:
* 2 هسته پردازنده
* 512 کيلوبايت کاشه L2
* ساختار گرافيکي مجتمع
* پشتيباني از فناوري HyperThreading
* پشتيباني از سيستم هاي عامل و نرم افزارهاي کاربردي 64 بيتي با معماري Intel 64
* استفاده از اتصال DMI مابين پردازنده و چيپ ست
* پشتيباني از يک کانال حافظه DDR2
* حداکثر TDP معادل 10 وات
* مبتني بر معماري Pineview

سري Atom N400
 

سري Atom N400، يک نسخه تک هسته اي از سري Atom D400 به حساب مي آيد. ويژگي هاي اين سري عبارتند از:
* 1 هسته پردازنده
* 512 کيلوبايت کاشه L2
* ساختار گرافيکي مجتمع
* پشتيباني از فناوري HyperThreading
* پشتيباني از سيستم هاي عامل و نرم افزارهاي کاربردي 64 بيتي با معماري Intel 64
* استفاده از اتصال DMI مابين پردازنده و چيپ ست
* پشتيباني از يک کانال حافظه DDR2
* حداکثر TDP معادل 5/5 وات
* مبتني بر معماري Pineview

سري Atom Z500
 

سري Atom Z500 دامنه گسترده اي از سرعت هاي کلاک و مجموعه ويژگي ها را در بر مي گيرد. ويژگي هاي اعضاي اين سري عبارتند از:
* 1 هسته پردازنده
* 512 کيلوبايت کاشه L2
* پشتيباني از فناوري HyperThreading( به استثناء Z510)
* پشتيباني از Virtualization سخت افزاري با فناوري Z520 ‏(IntelVT-xو مدلهاي بالاتر)
* FSB 400 مگاهرتزي يا 533 مگاهرتزي ( بر حسب مدل)
* حداکثر TDP معادل 0/65 تا 2/4 وات ( حداکثر TDP اکثر مدل ها بين 2 تا 2/4 وات است)
* مبتني بر معماري Silverthorne

سري Atom 300
 

اولين سري دو هسته اي در خانواده پردازنده هاي Atom به حساب مي آيد. ويژگي هاي اين سري عبارتند از:
* 2 هسته پردازنده
* 1 مگابايت کاشه L2
* پشتيباني از فناوري HyperThreading
* پشتيباني از سيستم هاي عامل و نرم افزارهاي کاربردي 64 بيتي با معماري Intel 64
* FSB ‏533 مگاهرتزي
* حداکثر TDP معادل 8 وات
* مبتني بر معماري Diamondville

سري Atom 200
 

يک نسخه تک هسته اي از سري Atom 300 است که داراي ويژگي هاي زير مي باشد:
* 1 هسته پردازنده
* 512 کيلوبايت کاشه L2
* پشتيباني از فناوري HyperThreading
* پشتيباني از سيستم هاي عامل و نرم افزارهاي کاربردي 64 بيتي با معماري Intel 64
* FSB ‏533 مگاهرتزي
* حداکثر TDP معادل 4 وات
* مبتني بر معماري Diamondville

سري Atom N200
 

سري Atom N200، يک نسخه 32 بيتي از سري Atom 200 به حساب مي آيد که ويژگيهاي مهم آن عبارتند از:
* 1 هسته پردازنده
* 512 کيلوبايت کاشه L2
* پشتيباني از فناوري HyperThreading
* FSB ‏533 مگاهرتزي يا 667 مگاهرتزي ( بر حسب مدل)
* حداکثر TDP معادل 2/5 وات
* مبتني بر معماري Diamondville
منبع: بزرگراه رايانه، شماره ي 137 .