Prescott הגיע ואף אחד לא מתרגש

השקט הרועם שאתם שומעים הוא, בשפת הפרדוקסים של כוהני הזן, קול מחיאת כף יד אחת. אחרי אינספור שמועות מגיע השבב שהופיע לראשונה על מפת הדרכים של אינטל לפני שנתיים תחת שם הקוד Prescott

ההכרזה של אינטל מדברת על מהדורה חדשה לפנטיום-4 שיתרונה הגדול הוא תהליך ייצור כלכלי יותר, שלא ממש נוגע לנו, הצרכנים. הרי המחיר שנשלם לא מתייחס לעלויות הייצור אלא למיקום השבב בשוק, מול שבבי אינטל ומעבדי AMD אחרים.

 

הסיפור של Prescott הוא לכאורה מעבר לתהליך ייצור חדש, בליתוגרפיה של 90 ננו מטר, תוך שימוש במספר טכנולוגיות עזר חשובות, כמו "סיליקון מאומץ" (Strained Silicone), שגורם לאלקטרונים לזרום מהר יותר דרך השער של הטרנזיסטור. חידוש מעניין בתהליך ה-90 ננו מטר הוא שימוש במבודד בעל מקדם דיאלקטרי נמוך (Low-k), תכונה שמורידה את ההתנגדות בתדרים גבוהים (בהם מרבית ההתנגדות החשמלית נוצרת דווקא מקיבול גבוה בין המוליכים).

 

אלמנטים נוספים בתהליך כבר נוסו ביצור של שבבי הדור הקודם. כמו מוליכי נחושת ופרוסות סיליקון בקוטר 300 מילימטר. בדיקת ההישגים הטכנולוגיים אכן מצדיקה מחיאות כפיים למהנדסי התהליכים ולמדעני החומרים של אינטל, אבל לא בטוח שגם הארכיטקטים של Prescott ראויים להערצה.

 

מבחני הביצועים מראים שמעט מכל היתרונות האלה יבואו לידי ביטוי במחשבי המשתמשים. ואם כן - רק אחרי שאינטל תשחרר גרסאות מהירות בתחומי גיגהרצים מעבר ליכולת ההאצה של Northwood, שבב הפנטיום-4 המוכר.

 

אכזבה מתוצאות המבחנים

 

כמה מספרים: במבחן Business Winstone, במהירות שעון נתונה (הבדיקות נעשו ב-2.8, 3.0 ו-3.2 גיגהרץ), השבב החדש מוסיף לכל היותר 2% לביצועים - זניח לחלוטין. לגרסת Extreme Edition של פנטיום-4 הישן יתרון של כ-6% על Prescott.

 

ל-Athlon 64 FX51 יש יתרון של 13%. במבחן Content Creation הפנטיום הישן (Northwood) עדיף על החדש ב-6% והמעבד של AMD מוליך ביתרון של 22%. במבחני SYSmark 2004 יש ל- Prescott יתרון של 2% על Northwood אבל ל-Athlon 64 FX51 יש יתרון עליו של 13%. במבחני המשחקים זה בולט עוד יותר.

 

Prescott מפגר אחרי Northwood ב-7% ואחרי Pentium 4 Extreme Edition ב-13%. אפשר להמשיך ולסובב את הסכין, אבל בוודאי קלטתם את התמונה. היד השניה, שלא הייתה שם כדי שתשמעו את מחיאות הכפיים, היא היד של הארכיטקטים, אלה שצריכים להפוך פוטנציאל לביצועים ותהליך יצור ללא תחרות לשבב מנצח. אז מי אשם?

 

כנראה שאין אשמים, רק טעות טקטית אחת. בעבר אינטל הקפידה לא לערב שמחה בשמחה ונמנעה מלהכריז על מעבד חדש בו זמנית עם התחלת יצור בתהליך חדש. Prescott הוא מעבד שאמור לרוץ מהר יותר מ-Northwood כשהוא מנצל את תהליך היצור החדש טוב יותר, אבל עיצובו עדיין לא מושלם ואולי גם התהליך יכול להשתפר.

 

כעת מדובר בשבב קטן רק במקצת מהשבב שמיוצר ב-130 ננו מטר - הצורך יותר הספק ויוצר יותר חום במהירות שעון נתונה. מבחינה מעשית, אינטל לא יכולה להוריד דרמטית את המחיר (שנקבע בעיקר לפי גודל השבב) ומצד שני היא מנועה מלהגדיל דרמטית את מהירות השעון (כך ליצור יתרון ל-Prescott).

 

זה לא מה שתוכנן על ידי האסטרטגים של אינטל. כי מה שבולט בארכיטקטורה של Prescott הוא המיקוד החזק על הגדלת מהירות השעון, גם במחיר הקטנת יעילות התכנון (כלומר ביחס בין ביצועים לקצב השעון). מתכנני Prescott לא עשו מהפכות בארכיטקטורה של פנטיום-4.

 

לשבב החדש יש אותו מספר צינורות ביצוע ומבנה כללי דומה מאוד ל-Northwood. מה שהתווסף הוא מטמון גדול יותר (ל-Extreme Edition יש מטמון עוד יותר גדול), 13 פקודות SIMD חדשות (שעדיין אין תוכנות המנצלות אותן ולכן קשה לשפוט את ערכן היישומי) וליטושים פנימיים "שקופים" למשתמש ולתוכניתן כאחד.

 

הצינורות הארוכים רצים מהר

 

השינוי הבולט הוא הארכת ה-Pipeline (כלומר מספר התחנות שאותן עוברת פקודה במהלך ביצועה) מ-20 ל-31. במילים פשוטות, "פסי היצור" של המעבד כוללים עכשיו יותר תחנות, שעושות פחות ולכן יכולות לעבוד מהר יותר. נשמע טוב, אך אליה וקוץ בה.

 

התחנות פועלות בשרשרת, ולכן מה שנכנס בקצה אחד של הצינור מקדים ב-31 צעדים את מה שיוצא באותו רגע מהקצה השני. ביניהם נמצאות 30 פקודות בשלבים שונים של ביצוע, וכל אחת מהן עלולה לגרום ל"סיעוף" (Branch), כלומר לגרום לכך שלפחות חלק מהפקודות הנדחקות אחריה הופכות לבלתי רלוונטיות.

 

ברור שהנזק הפוטנציאלי הוא עצום, אלא אם כן המעבד מצליח לנחש נכון אלו פקודות יכולות להיכנס לעבודה בתנאים של חוסר וודאות. קוראים לזה Branch Prediction וזו אחת המשימות היותר מתוחכמות שמעצבי מעבדים צריכים לפתור.

 

ב- Prescott העתיקו את מנגנון הניחוש של פנטיום-4, המעבד החיפאי שנחשב היום לשבב המוצלח ביותר של אינטל מזה עשור. אבל גם חוכמתם של מעצבי הבניאס לא מצילה את הצינורות של Prescott מהצורך "להקיא" את תכולתם לעיתים קרובות מדי.

 

אז למה הם עושים את זה? כי באופן עקרוני אפשר להזרים בצינורות ארוכים פקודות בקצב גבוה יותר מבצינורות קצרים. יש גם אלמנטים ספציפיים שקיבלו חיזוק נקודתי - כמו הפקודה Shift שנעשית עכשיו בחצי הזמן - אבל אלה בקושי מפצים על הנזק שנגרם כשהניחוש לא מצליח וצריך לזרוק לפח האשפה הדיגיטלית 30 תוצאות חלקיות (קוראים לזה "שטיפות הצינור").

 

מצד שני, ארכיטקטורת Northwood קרובה לקצה דרכה מבחינת מהירות השעון. לא משנה כמה מהנדסי היצור יתאמצו, ספק אם הם יוכלו לעבור את רף ארבעת הגיגהרץ. את Prescott תיכננו כך שהגבול התיאורטי נמצא מעבר לחמישה גיגה הרץ. וזה מה שאינטל צריכה, לפחות לפי המומחים לשיווק, שמאמינים שהציבור קונה גיגהרצים, לא ביצועים.

 

צריכת הספק מופרזת מונעת הגדלת המהירות

 

גם בהתחכמות הזו יד אחת לא פגשה בשניה. כדי להגדיל את מהירות השעון לא מספיק לערוך את השבב בצורה שהמרחקים בין אלמנטים מסויימים יהיו קצרים יותר - צריך גם להקטין את צריכת החשמל הספציפית, משום שההספק המבוזבז על מיתוג הטרנזיסטורים גדל ביחס ישר למהירות שהם מפרפרים בין אפס לאחד.

 

"סיליקון מאומץ", מבודד Low-K, מוליכי נחושת ועוד כמה שיפורי תהליך אמורים להוריד את צריכת החשמל הספציפית. אבל ב- Prescottאין סימנים לכך (בניגוד לירידה המובהקת של הצריכה בפנטיום-M).

 

אינטל לא מספרת על פרטי הפרטים של תהליך היצור אבל ברור שההנהלה די מאוכזבת מכך, שהמטרה לא הושגה בשלב הנוכחי. זה עוד יקרה, כנראה, אחרי ש-Prescott יעבור מקצה שיפורים אחד או יותר.

 

למשל, בפנטיום-M חוקי הגיאומטריה והתזמון משתנים מחלק לחלק בשבב, כשלכל חלק מותאמים הפרמטרים האופטימליים מבחינת יחס הספק למהירות, בהתאם לתפקידו. גישה זו ישימה גם ל-Prescott, אם כי ייקח זמן עד שהיא תצא מהכוח אל הפועל.

 

מתי תדעו שהדבר קרה? כאשר אינטל תכריז על התחלת האספקה של פנטיום-4 במהירות 3.8 גיגהרץ או יותר. אפשר כבר היום לאלץ Prescott לרוץ במהירות כזאת - ואף הרבה יותר ממנה אם מוכנים לשלם בהספק מוגבר ולהתקין אבזרי קירור אקזוטיים.

 

כשמעלים את מהירות השעון ל-3.8 גיגהרץ השבב הנוכחי מתחיל להתחמם בהספק של 145 וואט, כ-40% מעל מה שמהנדסי אינטל מאשרים עבור שבב כלשהו במארז הנוכחי של פנטיום-4. ההנחה הרווחת היא, ש-Prescott יוכל להגיע ל-4 גיגהרץ במארז הנוכחי אחרי ליטושי עיצוב וצבירת ניסיון בתהליך ה-90 ננו מטר.

 

מעבר ל-4 גיגהרץ יהיה צורך במעבר למארז אחר, עם הרבה יותר מגעים (למעלה מ-770!) ולכן גם ערכת שבבים ולוחות אם חדשים. זו תהיה ההזדמנות של אינטל להכריז עליו כפנטיום-5.

 

ועד אז נישאר בדילמה: האם להעדיף את Prescott על פני Northwood למרות שאין שיפור מהותי בביצועים? המחיר הוא שיקבע לרוב הקונים - אם כי בטוח שקונים מוסדיים יעדיפו את השבב החדש משום שהם חייבים להבטיח תאימות עם הפקודות החדשות גם אם הן לא מיושמות עדיין בתוכנות המשרדיות. האם להעדיף את Athlon 64 על Prescott? מבחינת חובבי העוצמה התשובה היא חיובית, בדרך כלל, למעט אלה שעוסקים בהכנת תכנים גרפיים.

 

ומה נמליץ לשחקנים?

 

למי שלא חסר כסף, Extreme Edition של Northwood הוא המלך, וסגנו הוא Athlon 64 FX51. ומה יעשו החסחכמים? יחכו לסלרון החדש, שיהיה מבוסס על מנוע Prescott, אבל עם מטמון קטן יותר ומחיר אטרקטיבי יותר. מה הכי כדאי למשתמשים העסקיים? להתחיל להגר מתחנות עבודה שולחניות, גדולות ומכוערות, למחשבי מחברת קטנים וחמודים, ואז לקנות מחשב מבוסס פנטיום-M. בקרוב יצא הדור השני שלו, זה שהיה ידוע בתור "דותן", וכנראה שממנו לא יתאכזב אף אחד. ובינתיים נמשיך להרהר במשמעות המטפיזית של מחיאת כף יד אחת.