Intel Sandy Bridge - AMD LLano

Universidad Católica
“Nuestra Señora de la Asunción”
Teorı́a y Aplicación de la Informática II
Unidades de Procesamiento
Acelerado de Última Generación
Autor:
Vı́ctor Cajes
Supervisor:
Ing. Juan de Urraza
Keywords: Estado, Arte, CPU, Intel, AMD, Sandy Bridge, Llano, APU, x86
Resumen Estado del arte de la última generación de las unidades de
procesamiento acelerado lanzados al mercado por parte de las grandes
multinacionales AMD, Inc. e Intel Corporation. Describiremos y compararemos a los circuitos integrados Intel Sandy Bridge y a su competidor
AMD Llano, quienes fueron fabricados con una microarquitectura de 32
nanómetros.
Índice general
1.
2.
3.
4.
5.
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conjuntos de Instrucciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conceptos Fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Northbridge - Southbridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Antecesores del Intel Sandy Bridge y AMD Llano . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1. Intel Nehalem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. AMD Zacate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Intel Sandy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. AMD Llano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8. ¿Por qué surgen las APUs? Ventajas y Desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . .
9. Comparaciones de APUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1. Intel Sandy Bridge vs Antecesores del AMD Llano . . . . . . . . . . . . .
9.2. AMD LLano vs Tarjetas Gráficas Disretas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3. Impacto de las memorias DDR3 en las APUs . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4. Intel Sandy Bridge vs AMD Llano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10. Sucesores del Intel Sandy Bridge y del AMD Llano . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1. Intel Ivy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2. AMD Bulldozer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12. Bibliografı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.
Introducción
Las computadoras personales que son utilizadas por la mayorı́a personas del
mundo están compuestas por dos partes principales:
1. Hardware: Son un conjunto de componentes tangibles eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos. [1]
2. Software: Es un conjunto de instrucciones de cómputo, reglas, procedimientos, y datos relacionados que forman parte de las operaciones de un sistema
informático. [2]
El procesador es el circuito integrado central de un computador que está compuesto por millones de componentes electrónicos [3]. Posee dos bloques funcionales que le permiten realizar su trabajo:
1. Unidad Aritmética y Lógica (ALU): Es un circuito digital que calcula
operaciones aritméticas tales como la suma, la resta, la multiplicación; y a
su vez las operaciones lógicas tables como AND, OR, XOR, entre dos flujos
de bits. [4]
2. Unidad de Control (UC): Se encarga de controlar, coordinar y realizar las
operaciones del sistema. Además extrae operaciones de la memoria principal,
las analiza, y emite ordenes para su posterior realización. [5]
Sean las siguientes definiciones a tener en cuenta:
Arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA): es una especificación que describe las instrucciones que un procesador puede interpretar para
que luego de su análisis, pueda ejecutarlo. [6]
Microarquitectura: Es la manera que una ISA es implementada por un
modelo de procesador dado. [7]
La velocidad de un microprocesador se mide por la cantidad de operaciones que
puede realizar por unidad de tiempo. Pero algo que debemos tener en cuenta es
que no podemos comparar el rendimiento de dos microprocesadores basándonos
solamente en la frecuencia del reloj, pues algunos de los factores que determinan
el rendimiento del procesador son:
1. La cantidad y tipo de memoria caché: Puesto que mientras mayor sea la
cantidad de memoria caché tenga internamente el procesador, habrá una
menor cantidad de fallos de página. Además existen varios tipos de memoria
caché: L1, L2, L3, en donde, mientras mas pequeño sea el número que sigue
a la letra L, más cerca se encuentra dicha memoria del núcleo del procesador,
entonces puede acceder a ella con una mayor velocidad.
2. La cantidad de núcleos: Hoy en dı́a cuando hablamos de cantidad de núcleos
de un microprocesador, podemos referirnos a núcleos fı́sicos o núcleos lógicos. Los primeros son realmente procesadores que ejecutan instrucciones en
paralelo, en cambio los núcleos lógicos no pueden ejecutar 2 instrucciones
distintas al mismo tiempo, sino que almacenan la segunda instrucción (el
hilo) en un registro interno del procesador de tal forma de poder conmutar
entre los procesos a una velocidad extremadamente rápida, por lo que se
aparenta que se están ejecutando al mismo tiempo ambos hilos. [3]
3. El conjunto de instrucciones soportadas: Esto es muy claro, sea el ejemplo
de un procesador que puede ejecutar una multiplicación directamente, y
otro procesador que para realizar dicha multiplicación deba realizar sumas
sucesivas, claro esta que el primer procesador será mucho más eficiente. [8]
4. La microarquitectura: Como ya mencionamos más arriba, es la manera que
una ISA es implementada por un modelo de procesador dado. [7]
2.
Conjuntos de Instrucciones
Claro está entonces que no podemos comparar dos microarquitecturas de
procesadores que soporten un conjunto de instrucciones muy diferentes, pues
la diferencia ya surge en la ISA que se propone soportar. Es por ello que en
este estado del arte analizaremos dos microprocesadores: el Intel Sandy Bridge
y el AMD Llano que soportan el mismo conjunto de instrucciones: El x86 con
un soporte para instrucciones de 32-bits, y en su defecto el x86-64 en donde
básicamente la segunda es una extensión del x86 pero con un soporte para instrucciones de 64-bits. Ahora se darán a conocer detalles sobre estos dos conjuntos
de instrucciones:
1. Conjunto de Instrucciones x86 : El nombre x86 surge gracias a la nomenclatura que Intel daba a sus procesadores alrededor de los años 80, en donde
sus procesadores tenı́an los nombres: 8086, 80286, 80386, 80486, etc. Como podrán notar todos estos nombres terminan en 86, y como ya se estaba
aceptando el modelo, puesto que en la medida que avanzaba el tiempo se
seguı́a utilizando dicho esquema, se decidió llamarle x86 a este conjunto de
instrucciones. [9]
2. Conjunto de Instrucciones x86-64 : Es una simple extensión del conjunto de
instrucciones x86 pero que podı́a manejar direcciones de 64 bits [10]. Ahora
quién gana protagonismo es AMD Inc., puesto que fueron ellos quienes desarrollan este esquema, y cuyo nombre inicial fue AMD64. Por tanto está demás
decir que fueron ellos quienes sacaron el primer procesador (el AMD Opteron) con soporte para este conjunto de instrucciones de 64 bits. Algunas de
las ventajas de este nuevo esquema, comparados con el antecesor x86 son:
El número de registros de propósitos generales aumento en cantidad y
tamaño: de ser 8 registros de 32 bits, pasaron a ser 16 registros de 64
bits.
El espacio de direccionamiento paso de ser 4 Gigabytes a 16 Exabytes
[11], que ya se estaban quedando muy corto puesto que fácilmente hoy
en dı́a las nuevas computadoras personales pueden llegar a a tener 12
Gigabytes de memoria.
Las llamadas al sistema fueron mucho más rápidas, puesto que la segmentación ya no esta soportada en el modo de 64 bits, lo que produjo
que las llamadas al sistema no tengan asociadas latencias al protección,
almacenamiento y recuperación de la información de segmentación.
Con respecto a la seguridad, se añade lo que se denomina el bit NX, que
es una caracterı́stica del procesador que permite al sistema operativo
prohibir la ejecución del código en área de datos.
Antes de continuar debemos definir el concepto de Single Instruction,
Multiple Data (SIMD): que es una técnica que se implementa para conseguir paralelismo a nivel de datos [12]. Gracias a esto, podemos aplicar una
misma operación, en un solo ciclo de reloj, a un conjunto más o menos grande
de datos.
Cabe mencionar que los conjuntos de instrucciones descritos arriba no son lo
únicos esquemas que utilizan los procesadores de última generación, puesto que
existen de nuevo extensiones que se realizan al x86 y al x86-64. Una de ellas es
el conjunto de instrucciones SIMD denominado MMX (MultiMedia eXtension)
diseñado por Intel e implementado por primera vez en 1997 en su procesador
Intel Pentium MMX [13]. Este nuevo modelo permitió el concepto de packet data
types en donde los registros de 64 bits que no eran utilizados en su totalidad,
se pudieran utilizar para almacenar dos enteros de 32 bits, cuatro enteros de 16
bits o en su defecto 8 enteros de 8 bits. Pero este esquema tuvo también ciertos
problemas, tales como que solo soportaba operaciones con números enteros. En
respuesta a esto, Intel soluciona los problemas e incluye nuevas optimizaciones
agregando los denominados Streaming SIMD Extensions (SSE) que como su
nombre lo dice, es una extensión al conjunto de instrucciones MMX [14]. Hasta
el momento hay 4 versiones de SSE, todas ellas incluidas en los procesadores a
partir de los años 1999. Una breve descripción de los mismos:
SSE1: Las instrucciones SSE fueron diseñadas especialmente para la decodificación de MPEG2, que es uno de los códecs más utilizados por los
DVDs, y muchos vı́deos digitales de aquel entonces. Se agregaron 70 nuevas
instrucciones y de 8 registros nuevos. [14]
SSE2: Esta extension fue diseñada para el trabajo avanzado con gráficos
3D, codificación y decodificación de vı́deo, reconocimiento de voz, comercio
electrónico, Internet, aplicaciones de ingenierı́a y cientı́ficas, etc. Es capas
de manejar el tipo de dato flotante con una precisión doble a la anterior, y
enteros muy grandes, ambos de 128 bits. [15]
SSE3: Más bien conocido por el nombre que le puso Intel, Prescott New
Instructions (PNI). Permite operaciones aritméticas y lógicas de multiples
valores almacenados en un mismo registro, lo que simplifica en gran medida
las implementaciones de operaciones con Procesamiento Digital de Señales
y Gráficos en 3D. [16]
SSE4: Implementado por primera vez en los procesadores Intel Core2Duo, en
donde se agregan nuevas instrucciones para convertir los packet data integers,
manejar con mayor facilidad ciertas operaciones de bits, etc. [17] [18]
3.
Conceptos Fundamentales
Codename: Es una palabra usada clandestinamente para referirse a otro
nombre o palabra. Es utilizado normalmente para propósitos militares o
en el espionaje. También lo utilizan las industrias para proteger proyectos
secretos. [19]
PCIe: En inglés, Peripheral Component Interconnect Express. Es una tarjeta de expansión diseñada para reemplazar los viejos canales estándares PCI,
PCI-X y AGP. [20]
AVX: En inglés, Advanced Vector Extensions. Es una extensión al conjunto
de instrucciones x86 que facilita y optimiza operaciones con tipos de datos
punto flotantes. [21]
CPU: Es la abreviación que se le da al microprocesador ya descrito en la
introducción.
GPU: En inglés, Graphics processing unit. La unidad de procesamiento
gráfico es un procesador dedicado al procesamiento de gráficos, para aligerar
la carga de trabajo del procesador central en aplicaciones como los de videojuegos y/o aplicaciones 3D. De ésta forma, mientras gran parte se procesa
en la GPU, la CPU puede dedicarse a otros tipos de cálculos. [22]
APU: En inglés, Accelerated processing unit. La unidad de procesamiento
acelerado es un sistema de procesamiento que ofrece capacidades adicionales
de procesamiento (respecto a los microprocesadores) diseñados para acelerar uno o más tipos de cálculos realizados fuera de la CPU. Esto incluye a
una GPU (unidad de procesamiento gráfico) o un sistema de procesamiento
especializado similar. Éste término también se utiliza, gracias al marketing,
como un dispositivo de procesamiento que incluye una CPU y una GPU en
el mismo circuito integrado, aumentado ası́ la capacidad de transferencia de
datos entre estos dos dispositivos, y al mismo tiempo reduciendo cantidad
de energı́a consumida. Algunos ejemplos de APUs son: AMD Fusion (Ejemplo: AMD Llano), CELL (Utilizado en el PlayStation 3 de Sony), Intel HD
Graphics (Ejemplo: Intel Sandy Bridge) y el proyecto Denver de NVIDIA
(Ejemplo: NVIDIA Tegra). [23]
SA: En inglés, System Agent. El agente del sistema contiene el controlador
que maneja los controladres PCIe, DMI, memoria y la unidad de control de
energı́a.
4.
Northbridge - Southbridge
Como podemos ver en la figura 1, el chip Northbridge, que hoy en dı́a ya
vienen incorporados dentro de los procesadores, se encarga de manejar los controladores de la memoria y los controladores de gráficos [24]. El chip Southbridge
a su vez se encarga de manejar los demás controladores que permiten el correcto
funcionamiento de un computador, es decir, controladores PCI, USB, ISA, IDE,
entre otros.
Figura 1. Esquema Northbridge/Southbridge
5.
Antecesores del Intel Sandy Bridge y AMD Llano
Presentaremos un breve resumen acerca de la tecnologı́a utilizada en los
antecesores de las APUs que describiremos y compararemos detalladamente más
adelante.
5.1.
Intel Nehalem
A diferencia del Sandy Brdige que ya es una APU, el Intel Nehalem sigue
siendo solamente un microprocesador. La tecnologı́a de fabricación utilizada fue
la de 45 nanómetros. El socket requerido para la utilización de este procesador
es el LGA-1366. [25]
Está diseñado de tal forma de pueda poseer hasta 8 núcleos, donde cada
núcleo posee su propia memoria caché L1 y L2, y además hay una memoria
caché L3 compartida de 8MB por todos los núcleos. [26]
Reincoporan la tecnologı́a Hyper-Threading mediante la cual, pueden mantener el estado de dos hilos en el núcleo, es decir, solo un hilo se ejecuta a la vez,
pero cuando se completa la ejecución del primer hilo, se comnuta con mucha
rapidez al siguiente hilo. [27]
5.2.
AMD Zacate
Es la denominación que se le dió a la primera APU desarrollada por AMD.
Su desarrollo fue enfocado al mercado de las tecnologı́as móviles. La tecnologı́a
de fabricación fue la de 40 nanómetros. El socket requerido para la utilización
de esta APU es el BGA-413. Desde ya, cuenta con soporte para DirectX 11. [28]
Ésta versión sale al mercado con un máximo de 2 núcleos que inicialmente
poseen una frecuencia de alrededor de los 1.6GHz, en donde cada núcleo tiene
asignado tan solo 512KB de memoria caché. Trae consigo soporte completo para
el conjunto de instrucciones x86-64. [29]
En el mercado encontraremos esta APU con el nombre de AMD E Series:
AMD E-350: Con 2 núcleos de 1.6GHz, incluyendo para el proceso de
gráficos una AMD Radeon HD 6310.
AMD E-240: Con 1 núcleo de 1.5GHz, incluyendo para el proceso de gráficos una AMD Radeon HD 6310.
6.
Intel Sandy Bridge
Intel Corporation ya desde el año 2007 adopta el modelo “Tick-Tock”, haciendo analogı́a a la onomatopeya del reloj de pared [30]. Este modelo se caracteriza
por el hecho de que en cada Tick se achica más el proceso de fabricación de la
tecnologı́a como ocurrió por ejemplo con el Nehalem cuyos transistores eran de
45 nanómetros, y en el nuevo Tick, con el Sandy bridge se bajo a 32 nanómetros.
Ası́ mismo cada Tock significa la aparición de una nueva microarquitectura. En
el roadmap de Intel se espera para los siguientes años el Intel Ivy Bridge que
será fabricado con una tecnologı́a de 22 nanómetros [31]. Un esquema gráfico
podemos ver en la Figura 2.
Figura 2. Modelo Tick-Tock adoptado por Intel Corporation
Sandy Bridge es la denominación que se le otorgó a la APU que se empezó a
desarrollar en el año 2005 en el Intel Israel Development Center. Esta es la
primera APU desarrollada por Intel, y se lanzó al mercado por primera vez
el 9 de Enero del 2011, luego de 6 años de arduo trabajo. Es el sucesor del
microprocesador Nehalem que apareció en el mercado en Noviembre del 2008.
[32]
Figura 3. Socket LGA 1155 utilizado por Intel Sandy Bridge. [33]
Por motivos de marketing, en el mercado la nueva CPU no se llamara Sandy
Bridge, sino que serán dadas a conocer con el nombre de: Microprocesadores Intel
de Segunda Generación, Core i3/i5/i7. Se requerirá que la placa madre que lo
soporte tenga el socket LGA-1155, como se aprecia en el figura 3. Por tanto
tanto, las personas que deseen utilizar este nuevo procesador deberan comprar
también una nueva placa madre con soporte para el socket LGA1155. [34]
Como nos describe [35], ésta unidad posee 4 núcleos de alto rendimiento, una
GPU con excelente relación consumo de energı́a/rendimiento, memorias caché de
nivel L1, L2, L3, controladores PCIe, todo esto utilizando tecnologı́a de fabricación de 32 nanómetros. Los núcleos que conforman la CPU implementan un
mejor algoritmo de predicción de saltos, soporte para micro-operaciones (Decoded UOP Cache), soporte para AVX, registros con capacidad de almacenar más
datos. Todo esto aumenta el rendimiento sin aumentar el consumo energético de
disipación térmica o el consumo de energı́a promedio. Las CPUs y la GPU comparten la misma memoria caché L3 de 8MB. El flujo de datos está optimizado
por un circuito integrado llamado “anillo”, que como nos muestra la figura 4, interconecta las CPUs, la GPU, el agente del sistema (SA) y la memoria caché L3,
el controlador dual channel DDR3, los controladores PICe, la unidad de control
de energı́a y la capacidad de prueba lógica. A su vez también posee una memoria
EPROM usada para configurar al dispositivo. En la figura 5 podemos apreciar
su esquema fı́sico.
El circuito integrado es energizado por 6 diferentes planes de energı́a. Los
núcleos y la memoria caché L3 comparten el mismo plan de energı́a. Posee puertas de acceso que fueron distribuidas uniformemente en los cores, de tal forma de
Figura 4. Diagrama de Bloques del Intel Sandy Bridge.
que se puede permitir que la unidad de control de energı́a (PCU) pueda apagar
cualquier core, independientemente de los demás. La GPU está conectada a su
único plan de energı́a que le permite la independiente optimización de energı́a
de acuerdo a las necesidades. Los otros planes de energı́a son usados por el SA,
controladores de entrada/salida (I/O) y circuitos análogos.
Uno de los desafı́os al compartir el mismo plan de energı́a entre los IA cores
y la memoria caché L3 es que el mı́nimo voltaje necesario para mantener los
datos en la memoria caché puede limitar al mı́nimo necesario para que los IA
cores puedan operar, incrementando el consumo promedio de energı́a. Muchos
diseños y circuitos surgieron para minimizar la capacidad mı́nima de energı́a que
debe utilizar la caché L3 y los registros del chip. Finalmente decidieron que cada
fabricante adopte un diseño dado. [35]
Con respecto a algunos los frameworks más utilizados para el desarrollo de
aplicaciones, solo dará soporte a OpenGL 3.0 y no a la nueva versión 4.0, a
su vez tampoco soportará DirectX 11, asumiendo solo la responsabilidad con el
DirectX 10. [36]
Con respecto a las micro-operaciones, existe una memoria caché para que se
guarden las micro-operaciones en la medida en que se van ejecutando. Aquı́ no
hay ningún algoritmo complejo, es una simple escritura a la memoria caché [37].
Puesto que el hardware de decodificación es una parte muy compleja del pipeline x86, apagando esta caracterı́stica, cuando se encuentra ya la operacion que
se desea realizar en la caché, se logra ahorrar gran cantidad de energı́a. Esta
caché está completamente incluida en la caché L1 y según las estadı́sticas se
obtiene hasta un 80 % de hit rate.
El control de temperatura es usado extensamente en los procesadores modernos para maximizar el rendimiento. Cuando el circuito integrado esta caliente,
se baja la frecuencia del reloj, y viceversa, cuando el circuito integrado está frı́o,
la PCU toma ventaja e incrementa la frecuencia de la CPU. La información de
temperatura es usada también para controlar el sistema de ventilación y para
apagar la CPU en caso de un catastrófico evento relacionado con la temperatura.
Sandy Bridge se ha adelantado, y ha puesto dos tipos distintos de sensores de
temperatura. El primero es un sensor de temperatura basado en diodo, descrito
en [38]. Éste sensor compara el voltaje del diodo y provee información para su
análisis, anuncios respecto a eventos catastróficos y control de la ventilación.
Solo hay un sensor por IA core, un sensor en la GPU y un sensor en el SA.
Figura 5. Esquema Fı́sico del Intel Sandy Bridge.
Sandy Bridge introduce el Generic Debug eXternal Connection (GDXC), que
es un bus de depuración que permite monitorizar el trafico entre los IA cores, la
GPU, la memoria caché y el agente del sistema (SA) en el anillo interno. GDXC
permite que los chips, sistemas o programas de depuración tomen muestras de
los datos que fluyen por el anillo para su posterior análisis. [35]
El consumo de energı́a de éstos procesadores varı́a desde 17 watts hasta
45 watts para las versiones para móviles, pero respecto a las versiones de alto
rendimiento para dispositivos no móviles, pueden alcanzar hasta los 95 watts.
[35]
Ya desde la existencia de los Intel Nehalem [39], se introdujo el Intel Turbo
Boost, que es la tecnologı́a implementada por Intel que habilita al procesador
a operar por encima de la frecuencia normal de operación gracias a un control
dinámico de las frecuencias de la CPUs. Esta caracterı́stica se activa cuando
el sistema operativo requiere el más alto grado de rendimiento por parte del
procesador. En pocas palabras, se realiza un overclock al procesador. [40]
7.
AMD Llano
AMD Fusion es el nombre de marketing que se le puso a las series de APUs
desarrolladas por AMD. Ésta tecnologı́a ya fue anunciada por primera vez en
el 2006, y se empezó a trabajar en ella desde entonces. El producto final resultante es un dispositivo que combina la excelencia de los procesadores AMD y la
potencia de las tarjetas gráficas de ATI. [41]
La APU que describiremos aquı́ es aquella a la que se la denominó AMD
Llano. Fue lanzada por primera vez al mercado en Junio del 2011. Es el sucesor
de los previos AMD Desna, Ontario y Zacate, todos estos lanzados en el primer
cuatrimestre del año 2011. [41]
Las placas madres que deseen dar soporte a estos nuevos microprocesadores
deberán utilizar el nuevo socket FM1, que se puede visualizar en la Figura 6.
Figura 6. Socket FM1 utilizado por las APUs AMD Llano.
AMD Llano fue diseñado para cumplir los siguientes tres objetivos principales
[42]:
Brilliant HD: Los juegos fueron tomados en cuenta a la hora de desarrollar
la nueva APU. Mejoras en el rendimiento con respecto a las previas generaciones que permitirı́a a los “gamers” con laptops, jugar juegos que antes
eran impensables ejecutarlos en los dispositivos móviles, principalmente en
las notebooks. En algunos juegos se lográ un aumento de hasta 279 % en el
rendimiento de los mismos.
Super Computer in a Notebook: Soportar las últimas versiones de
software basadas en GPU Compute, tales como DirextX 11, OpenGL 4.1,
OpenCL 1.1 y DirectCompute.
AMD AllDay Power: La optimización del consumo de energı́a ha permitido nuevos nı́veles con respecto a la duración de la baterı́a en el mercado
de las computadoras portátiles.
Éste circuito integrado es una versión modificada y mejorada del AMD
Phenom-II, y fue lanzado en sus versiones de 2 y 4 cores, en donde estos pueden fácilmente superar los 3 GHz. Cada core tiene 1MB de memoria caché L2
que consumen tan solo 2.5 watts. Con tan solo un tamaño de 228 m2 , también
contiene controladores PCIe 2.0, controladores para dual channel de memorias
DDR3-1600, todo esto utilizando tecnologı́a de fabricación de 32 nanómetros
[43]. Podemos ver el esquema fı́sico de la APU en la figura 7.
Figura 7. Esquema Fı́sico del AMD Llano.
A partir de éste nuevo modelo de APU, AMD se encarga de introducir una
nueva tecnologı́a en los mismos, que ya les venı́a haciendo mucha falta, puesto
que su competir Intel ya lo venı́a implementando desde hace bastante tiempo. A
esto le llamaron AMD Turbo Core, que análogamente funciona igual que el Intel
Turbo Boost, en donde el sistema operativo se encarga de solicitar un mayor
rendimiento cuando lo requiera, utilizando un mayor consumo de energı́a. [44]
Las librerı́as soportadas por AMD Llano son una gran ventaja para los mismos, puesto que son acelerados por hardware DirectX 11, OpenGL 4.1 y OpenCL
1.1. [41]
Como toda nueva tecnologı́a, no solo se avanza en nuevos diseños y arquitecturas, sino que siempre se aumenta la cantidad y velocidad de los componentes
que conforman los dispositivos de última generación. Entre estas caracterı́sticas
podemos citar que el tamaño de los cores será de 9.69 mm2 , tendrán más de 35
millones de transistores, consumirán entre 2.5 y 25 watts, superaran fácilmente
los 3GHz, y el voltaje de operación será de 0.8 a 1.3 volts. [45]
Como vimos hasta el momento, AMD solo nos ha mostrado una version mas
o menos mejorada de su modelo anterior Phenom-II, pero hoy en dı́a, un aspecto
muy importante a tener en cuenta es la Administración de Energı́a. Una de las
innovaciones más grandes por parte de AMD en este ámbito fue el hecho de
incluir lo que denominaron AMD Core Power Gating. Gracias a ésta tecnologı́a,
se pudo lograr que un determinado core se encuentre lo más cercano posible a
estar apagado cuando no se lo necesita demasiado, ahorrando ası́ gran cantidad
de energı́a. Esto es una ventaja fundamental en el ámbito de los dispositivos
móviles, en donde la lucha por la supervivencia está dada por el tiempo que
pueden estar encendidos estos dispositivos, hasta agotar la baterı́a. [44]
Figura 8. Esquema Conceptual de la nueva APU de AMD. [42]
Siguiendo el esquema de administración de energı́a, se presenta el módulo
digital APM. AMD no da muchos detalles acerca de ésta innovación, pero es una
tecnologı́a que utiliza la temperatura y otros parámetros intrı́nsecos de la APU
para tomar decisiones de escalabilidad respecto a las frecuencias utilizadas por
los cores. A su vez, fue diseñado para lograr una consistencia en el rendimiento
de sus dispositivos. [46]
Éstos nuevos circuitos integrados, traen incluidos el UVD (Unified Video
Decoder), que es una unidad de decodificación de video creado por ATI Technologies para soportar decodificación acelerada por hardware de los codecs H.264 y
VC-1 [47]. UVD a su vez soporta DXVA(DirectX Video Acceleration), que es un
API para las plataformas de Microsoft Windows y el Xbox 360. Esta tecnologı́a
fue evolucionando con el tiempo hasta llegar a su tercera versión, en donde ya
soporta decodificación de DivX, MPEG-2, MPEG-4, Blu-Ray 3D y por tanto
120Hz Stereo 3D.
Algo que debemos tener muy en cuenta es que como AMD tiene la ventaja
de tener todos los avances desarrollados por ATI, puede incluir dichas ventajas
en sus dispositivos. Entre ellas tenemos ATI Eyefinity en donde un jugador
experimentado (Hard-core Gamer), puede conectar varias pantallas y ver el juego
tan ancho como pantallas tenga (por más que haya un lı́mite de pantallas puestas
verticalmente u horizontalmente).
8.
¿Por qué surgen las APUs? Ventajas y Desventajas
Algo que debememos aclarar es que las empresas triunfadoras de hoy en dı́a
no lanzan productos nuevos sin que éstos hayan pasado por estrictos controles de
calidad y estudios de mercado correspondientes. Como vimos más arriba, AMD
Incorporation e Intel Corporation están dedicando mucho trabajo, tiempo y dinero para desarrollar APUs de gran calidad, incorporando todos los componentes
de una CPU y una GPU en un solo circuito integrado.
La necesidad surge a causa de que la tecnologı́a móvil (notebooks, netbooks,
tablets, smartphones) está acaparando el mercado. Y las personas cada dı́a requieren dispositivos más potentes, capaces de procesar una mayor cantidad de
información en menos tiempo. De la misma forma los usuarios están cansados
de que la baterı́a de sus dispositivos móviles agote con mucha facilidad. Otro
punto muy importante a tener en cuenta es que cada dı́a requerimos que los
dispositivos móviles sean más pequeños, a fin de que podamos transportarlos
fı́sicamente con nosotros sin mucho esfuerzo, favoreciendo ası́ la comodidad de
los usuarios finales.
Como ya vimos, estas APUs son mucho más potentes que los procesadores
convencionales. El hecho de no tener una tarjeta dedicada al procesamiento de
gráficos es una de la más grandes ventajas introducidas por las APUs, puesto
que: [48]
El tamaño de la APU sigue siendo practicamente igual al tamaño de los
microprocesadores que ya conocemos desde hace mucho tiempo, por lo cual
nos ahorramos todo el espacio que pueda llegar a ocupar una tarjeta dedicada
al procesamiento gráfico, recordemos que estas tarjetas suelen incluir sus
respectivos disipadores y coolers, con lo cual nos ahorramos realmente mucho
espacio. Esto a su vez permite que las placas madre puedan achicarse, al
no necesitar ciertos sócalos para insertar las tarjetas gráficas, ni los buses
necesarios para lograr su conexión al sistema.
La energı́a consumida por la APU es mucho menor a la suma de la energı́a
consumida por un procesador convencional y una tarjeta dedicada para gráficos, mediante el cual logramos ahorrar gran cantidad de energı́a, lo que a su
vez implica una mayor duración en las baterias de los dispositivos móviles.
La temperatura es un factor sumamente importante, pues es quién muchas
veces nos limita la velocidad de nuestros procesadores o el tiempo de uso
continuo que podamos darle a nuestros dispositivos sin que se dañen de forma
permanente. Al no tener una placa dedicada a los graficos, nos ahorramos una
gran cantidad de calor, mediante el cual en sistema completo lográ mantener
una temperatura más baja.
Lo mencionado arriba no solucionan completamente los problemas o necesidades de los usuarios, pero si son un buen punto de partida. Además la GPU que
se incorpora dentro de una APU no están ni cerca de tener el mismo rendimiento
que una tarjeta gráfica dedicada High-End. Es decir, un usuario que desea las
mejores experiencias gráficas en un juego a alta resolución no deberı́a optar por
una APU, pues existen mejores alternativas.
9.
Comparaciones de APUs
Ahora ya tenemos bien en claro los conceptos relacionados al diseño y arquitectura de las APUs Intel Sandy Bridge y AMD Llano. En está sección serán
comparadas las APUs estudiadas hasta el momento con sus respectivos antecesores (Intel Nehalem y AMD Phenom), ası́ como también el Intel Sandy Bridge y
el AMD Llano. Antes de comenzar, debemos establecer que parámetros serán tomados en cuenta para determinar que un determinado APU es mejor que otra, o
en su defecto, cuál es mejor para realizar un determinado tipo de procesamiento.
Frames per second (FPS): Es la medida de la frecuencia a la cual un
reproductor de imágenes genera distintos fotogramas. En nuestro caso, estos
fotogramas están constituidos por un número determinado de pı́xeles. Algo
muy importante a tener en cuenta es que la frecuencia de los fotogramas
es proporcional al número de pı́xeles que se deben generar, es decir, a una
mayor resolución de pantalla es natural que obtengamos una menor cantidad
de FPS. En conclusión, mientras mas FPS nos proporcione una APU dada,
se puede decir que dicha APU es mejor que otra. [49]
Benchmarking: Es la acción de ejecutar uno o más programa de computadoras con el fin ver el rendimiento que ofrece un componente dado o el
conjunto en sı́ que conforma un computador. Normalmente estos programas
son un número estándar de pruebas (tests). Los benchmarks nos proporcionan al finalizar un número al que se le llama Score. Éste número es generado
por el software que utilizamos para realizar el benchmark, que no es útil por
si solo, pero cuando comparados dicho score con otros dispositivos o sistemas,
podemos tener idea de cual es mejor. En conclusión, mientras más grande
sea el Score que nos proporciona un determinado software de benchmarking,
se puede decir que dicho sistema es mejor que otro. Algunos ejemplos más
reconocidos y utilizados de software para realizar benchmarking son: Super
PI, 3DMark, PCMark, SysMark, Whetstone, entre otros. [50]
Timing: Es el más simple de todos, tan solo se mide el tiempo en que una
determinada tarea tarda en completarse. Entonces aquel que tarde menos
tiempo que el otro, habiendo realizado la misma tarea en las mismas condiciones, será mejor. Aquı́ normalmente se comparar los tiempos de programas
que codificacan y decodifican archivos de vı́deos, programas que comprimen
datos, compiladores de grandes sistemas de software, sistemas de renderizado
de vı́deos.
9.1.
Intel Sandy Bridge vs Antecesores del AMD Llano
Entre los antecesores del AMD Llano podemos citar al AMD Phenom II y
al AMD Atlhon II. A su vez compararemos con los distintos modelos de Intel
Sandy Bridge, en sus denominaciones Core-i3, Core-i5, Core-i7.
Figura 9. 7-Zip Compression Test. [51]
Figura 10. Valve - Left 4 Dead. [52]
Figura 11. Blizzard - Starcraft II. [52]
Figura 12. V-Ray Render 3.7. [53]
Figura 13. Blender 3D Render. [53]
Figura 14. Compilación del Sistema Operativo Chronium con MVS2008.
Figura 15. Consumo de Energı́a promedio. [54]
Figura 16. PCMark Vantage 1.0.2.0 Score
9.2.
AMD LLano vs Tarjetas Gráficas Disretas
Una de las diferencias principales entre las APUs y las tarjetas gráficas que
usualmente conocı́amos, es que las APUs no ocupan espacio alguno, pues vienen
incluidas en el circuito integrado que antes conociamos con el nombre de procesador. Por otro consumen una cantidad menor muy apreciable de energı́a, por
lo que, cuando hablamos de notebooks, aquı́ tenemos una gran ventaja.
Nosotros esperarı́amos que como no hay una tarjeta dedicada al procesamiento de gráficos, tengamos un rendimiento mucho menor, pero la imagen de
la Figura 17 nos muestra que la historia es otra. En el juego Resident Evil 5,
obtenemos un resultado muy bueno, pues que solo hay un promedio de 19 FPS
menos cuando se utiliza la APU, lo cual antes era impensable. [55]
Figura 17. FPS comparadas entre la APU Llano y la Tarjeta Gráfica de ATI. [55]
9.3.
Impacto de las memorias DDR3 en las APUs
Ahora veremos que tanto afecta la frecuencia a las que pueden operar las
últimas memorias volátiles denominadas DDR3. Es decir, aumenta o no el rendimiento, y en que grado, mientras más rápida sea la memoria. Como nos muestran las Figuras 18 y 19, podemos apreciar un mejor rendimiento en la APU de
AMD. [56]
Figura 18. Impacto de Memoria DDR3 en APUs de Intel con Crysis Warhead.
Figura 19. Impacto de Memoria DDR3 en APUs de Intel con Crysis Warhead.
9.4.
Intel Sandy Bridge vs AMD Llano
Consumo de Energı́a Como vimos en los detalles técnicos de cada uno de las
APUs, la administración de energı́a influyó considerablemente en el momento de
diseñar los circuitos integrados. La Figura 20 nos muestra que jugando Resident
Evil 5, la batalla la ganó el AMD Llano al aguantar 45 minutos más que su
competidor. Cabe mencionar que se utilizaron baterı́as del mismo nivel al realizar
las pruebas [55]. La Figura 21 también acentúa la conclusión citada.
Figura 20. Duración de Baterı́a en Minutos: Sandy Bridge vs Llano
Figura 21. Consumo de Energı́a: Sandy Bridge vs Llano
Criptografı́a Es la técnica que altera las representaciones lingüı́sticas de un
mensaje [57]. Al aplicar esta técnica en el ámbito informático, la experiencia
demostrado que son procesos muy complejos y que realmente exigen mucho a
los procesadores. Y como podemos ver en la Figura 22 Intel Sandy Bridge es
capaz de encriptar muchas más información por unidad de tiempo (Megabytes
por Segundo) que su competidor.
En este caso examinaremos los algoritmos:
AES: En inglés, Advanced Encryption Standard. Es un algoritmo de cifrado
que utiliza una clave simétrica. Ha sido reconocido como un estándar por el
NIST, lo que produjo que hoy en dı́a sea utilizado ampliamente. [58]
SHA: En inglés, Secure Hash Algorithm. Es una función de hash criptográfica diseñada por la Agencia de Seguridad Nacional de los Estados Unidos.
[59]
Figura 22. Encriptación de datos utilizando los algoritmos AES y SHA. [60]
GPGPU En inglés, General-purpose computing on graphics processing units.
Es la técnica mediante la cual utilizamos la GPU para manejar calculos en
aplicaciones que tradicionalmente eran manejados por la CPU [61]. Con lo cual
podemos alivianar la carga del procesador aprovechando la existencia de una
GPU dentro de nuestro sistema de computo. Como podemos ver en la Figura 23
AMD Llano deja en redı́culo a su competidor a la hora de ejecutar instrucciones
generadas por los famosos frameworks DirectCompute y OpenCL.
Figura 23. Pı́xeles procesador por segundo. [60]
Compresión de datos Es el proceso de codificar información utilizando una
cantidad menor de bits, que cantidad de bits utilizada en la representación original de la información [62]. Podemos medir el rendimiento de un procesador
midiendo el tiempo que le toma comprimir una determinada cantidad de archivos con un determinado tamaño. Como podemos ver en la Figura 24 al Sandy
Bridge le toma casi la mitad del tiempo que al Llano, lo cual nos muestra que
para este tipo de computo, Intel se lleva la corona.
Figura 24. Tiempo que toma comprimir archivos con WinZip.
Benchmarks Como ya mencionamos más arriba, los benchmarks tan solo nos
muestran un puntaje de acuerdo a ciertos tests que le son realizados a las máquinas. Todas las figuradas mostradas en esta sección junto con la Figura 25, serán
utilizadas para sacar las conclusiones finales acerca de las APUs descritas.
Figura 25. Benchmarks de distintas configuraciones de sistemas. [55]
10.
Sucesores del Intel Sandy Bridge y del AMD Llano
Antes de continuar, debemos aclarar que como son productos que saldrán al
mercado en un futuro cercano, la información que sigue a continuación podrı́a no
llegar a ser la información más acertada posible, pues muchas de éstas pueden
llegar a ser puras especulaciones. Pero al menos nos da una idea de lo que
podrı́amos llegar a esperar en un futuro cercano.
10.1.
Intel Ivy Bridge
Intel ya ha empezado a dar unos pocos detalles de sus futuros procesadores con gráfica integrada (APUs) que serán lanzados teoricamente en Marzo del
2012, los Intel Ivy Bridge, y los datos son bastantes positivos. Su GPU soportará DirectX 11 se espera que la nueva versión Ivy Bridge suponga una mejora
de un 60 % de puntuación en 3DMark Vantage. [63]
Como podemos ver en [32], a diferencia del Intel Sandy Bridge, el Ivy Bridge
sera construido con una arquitectura de 22 nanómetros, los modelos más básicos
contedran 4 núcleos, por lo que no habrán más APUs de 1 o 2 núcleos. Ası́mismo
se espera que traiga soporte para USB 3.0 nativo.
Figura 26. Caracterı́sticas del Intel Ivy Bridge. [63]
10.2.
AMD Bulldozer
AMD por de pronto no tiene nuevas noticias acerca de una futura APU, pero
si está confirmado su nueva gama de procesadores: AMD Bulldozer, que están
orientados a computadoras de escriotorio, pues no poseen una GPU integrada.
Ahora se incorporará una tecnologı́a análoga al Hyper-Threading de Intel,
mediante el cual ahora tambien en nuestro sistema operativo nos motrará dos
núcleos, por cada núcleo fı́sico que contenga el circuito integrado. Además incluira soporte para AVX mediante el cual se mejorará el tratamiento de operaciones
de punto flotante. [64]
Una noticia de último momento confirma que no se veran estos procesadores
en las tiendas, sino hasta el cuarto trimestre del año, es decir, entre octubre y
diciembre. [65]
Figura 27. Caracterı́sticas del Intel Ivy Bridge. [64]
Figura 28. Caracterı́sticas del Intel Ivy Bridge. [65]
11.
Conclusión
Podemos concluir que las unidades de procesamiento acelerado de última generación introdujeron grandes innovaciones, empezando por el mismı́simo proceso de fabricación, en donde algunos los componentes que comforman a los
integrados son de tan solo 32 nanómetros.
Introdujeron cambios en la microarquitectura de los integrados, a fin de poder obtener un mejor rendimiento más alla del simple hecho de incluir más
transistores a causa de la innovación con respecto al proceso de fabricación.
El consumo de energı́a jugó un papel importante para los diseñadores, pues
debı́an hacer algo al respecto ya que uno de los puntos débiles de la computación
móvil es que las baterı́as no duran lo suficiente. Y podemos concluir que los de
AMD hicieron una labor muy superior a los de Intel.
Intel ha demostrado que su prioridad por de pronto no son los cálculos antes
realizados por tarjetas gráficas dedicadas al procesamiento gráfico. Es por ello
que se ha enfocado en el procesamiento del x86, y ha optimizado su antecesor
Nehalem de tal forma de lograr un rendimiento muy superior al del AMD.
AMD por otro lado optó por incluir una memoria caché por core, a diferencia
de Intel que mediante la implementación de un sistema mucho más complejo,
logró crear una memoria caché L3 compartida por todos los cores, lo cual probablemente es uno de los motivos por el cual Intel se lleva la corona a la hora
de ejecutar cálculos en los cores.
AMD a diferencia de Intel se ha enfocado en el procesamiento gráfico, pero
sin dejar mucho de lado al procesamiento del x86. Llano superó las expectativas
de todos, y nos mostró su poder superando ampliamente al Sandy Bridge. Ya sea
en los tipos de cálculos que son originalmente ejecutados por las tarjetas gráficas
dedicadas, ası́ como en los cálculos de GPGPU, AMD ha dejado en ridı́culo a
Intel.
Uno de los motivos por el cual AMD saca tanta ventaja a Intel en el procesamiento gráfico es que soporta aceleración por hardware para las últimas
versiones de los frameworks más utilizados para realizar cálculos complejos hoy
en dı́a. AMD provee soporte para DirectX 11, OpenGL 4.1, OpenCL 1.1. En
cambio Intel solo provee soporte para DirectX 10, OpenGL 3, OpenCL 1.0.
12.
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