معمارية Silvermont هل سوف تحقق ما ننتظره؟ (الجزء الأول)

في مقالنا هذا سوف نتعرف على هذه المعمارية الواعدة من جميع النواحي. المقال سوف يكون عبارة عن جزئين: الجزء الأول سوف يتحدث عن بداية Intel في عالم الموبايل وكيف تطورت به وماذا انتجت من معماريات وما هي الفوارق المبدئية بين المعمارية الجديدة والسابقة. اما في الجزء الثاني فسوف نتحدث عن التفاصيل التقنية والدقيقة في تحليل المعمارية بالكامل.

الجزء الأول

لقد كنا دائنا ننتظر تطورا ما في معمارية intel الموجهة الى عالم الموبايل حيث كنا دائما ما نحبط بعدما نرى الأداء بشكله النهائي نظرا لانه لم يرتقي الى جو المنافسه وخرج منها بشكل واضح,حيث كان الجزء الأكثر احباطا حول تغطية رحلة شركة Intel في عالم الموبايل خلال الخمس سنوات الماضية هو الفترة التي أخذتها في الوصول إلى هنا كل تلك الفترة كانت عبارة عن إضاعة للوقت؟ قد يراها البعض كذلك لأن Intel لم تكن تعطي اهمية لذلك القسم المهم في خططها المستقبلية. إن نواة وحدة المعالج المركزي التي استخدمت في كل من Medfield وClover Trail هي متشابهة جدا لما كان لدى شركة Intel مع نواة Atom الأولى في عام 2008. من الواضح أننا نتعامل مع مستويات أعلى من التكامل الشامل الذي يؤدي الى المزيد من استهلاك الطاقة، لكن المعمارية ومعظم الأنوية ستبقى دون تغير....ما الذي نقصده هنا. بصورة اوسع نرى إن Bonnell أحادية النواة المصممة في عام 2004 والتي صدرت في عام 2008 هي بالأساس كانت أسرع من معالج ARM’s Cortex A9. وشركة Intel امتلكت هذه المعمارية لمدة خمس سنوات ومن منظور السوق فهي لم تفعل شيئا به يستحق ان يعطيه اهتمام. يمكننا ان نقول ان هذه الرقاقة لم تكن جاهزة إلى أن حصلت شركة Intel على معالج بدقة تصنيع 32nm ، لذا حسابيا نرى انها اضاعت فقط 3 سنوات ( أطلقت شركة Intel معالجها بدقة تصنيع 32nm في عام 2010) إن الأمر عند طرحه بهذا الشكل يعطينا كم من الوقت اضاعته الشركة وهذا ادى الى خيبة امل فلو أنها اندفعت نحو هذا السوق بقوة أكبر لكانت النتائج مختلفة بكل تأكيد.

إن شركة Intel اليوم في وضع مختلف فبعد عملية الاستحواذات والتعيينات الجديدة وبعض التغيرات التنظيمية الداخلية الهامة، يبدو أن لدى شركة Intel اخيرا الجوهر والأساس للانطلاق والابداع في فئة الموبايل. مع أن معمارية Bonnell ( نواة Atom الأولى) كانت بداية رحلة شركة Intel في الموبايل، لكن المختلف هو ان معمارية Silvermont أول معمارية دقيقة جديدة لـ Atom من شركة Intel منذ عام 2008 وهو على ما يبدو أخيرا وضع Intel على المسار الصحيح وهو المطلوب.

مع أن معمارية Silvermont يمكن أن تجد طريقها في كل شيء سواء من استخدامها في السيارات إلى الخوادم وغيرها فإن المعمارية في المقام الأول معدة للاستخدام في الهواتف الذكية ومن ثم في الأجهزة اللوحية اي انها مصممة بالأساس لكي تقدم ما هو الأفضل في فئة الموبايل. هذا توجه مختلف بشكل كبير من نواة Bonnell السابقة التي كانت مصممة أولا لخدمة فئة أجهزة الانترنت المنتقلة والتي وضعت شركة Intel كل قدرتها وإيمانها فيها من منتصف عام 2005. حيث أن معمارية Atom الأولى لشركة Intel مصممة للموبايل لذلك فإن التوقعات بشكل كبير عالية لمعمارية Silvermont. طبعا علينا أن ننتظر لنهاية السنة كي نرى معمارية Silvermont بشكلها النهائي في الأجهزة اللوحية وفي أول السنة القادمة للهواتف الذكية، جميع المعلومات التي تابعناها وقرائتنا لهذه المعمارية ولتحليلات الخبراء هو أن معمارية Silvermont تبدو انها سوف تحقق ما هو ابعد من المنافسة والأخبار الأفضل من ذلك هو أن معمارية Silvermont سوف تبقى فقط لسنة واحدة قبل أن تحصل على تحديثها الأول وهو Airmont.

 إن معمارية Silvermont تقدم معمارية جديدة، بينما Airmont ستأخذ تلك المعمارية وتقدمها لنا بدقة تصنيع 14nm في فترة 2014/2015. بعد سنة أخرى، سوف نرى معمارية جديدة كليا تأخذ مكانها أيضا على دقة تصنيع 14nm. هذا تحول كانت تحتاجه شركة Intel للقيام به في السنوات الماضية لكن رغم ذلك ان تصل متأخرا خيرا من ان لا تصل ابدا.

قبل أن نتطرق للتحليل المعماري لـSilvermont من المهم الحصول على الأسماء الرمزية بالترتيب. Bonnell كان اسم نواة Atom ذات دقة تصنيع 45nm ، وم ثم تم تصغيرها إلى دقة تصنيع 32nm وسُميت Saltwell حينما وصلت للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية السنة الماضية. Silvermont هو اسم نواة وحدة المعالج المركزي لوحدها، لكن حينما تظهر في الأجهزة اللوحية لاحقا هذه السنة سوف تكون كجزء من اسم Baytrail SoC وكجزء من اسم Merrifield SoC السنة القادمة في الهواتف الذكية.

لكي تفهم فعلا معمارية Silvermont فأنت تحتاج أولا إلى فهم معالجة دقة تصنيع 22nm لرقاقة SoC (منظومة على رقاقة). منذ سنتين أعلنت شركة Intel عن تقنية تصنيع 22nm tri-gate 3D transistors والذي نراه الأن في معالجات Ivy Bridge. ذلك المعالج لم يكن مناسبة لفئة الموبايل العليا والسبب لأنه كان معدا لنوع من السيليكون ذو الأداء العالي لكن ليس السيليكون ذو الطاقة المنخفضة والذي ينتج عنه السعر المناسب والحجم الصغير جدا الضروري في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. إن شركة Intel  الآن تصنع نسختين من كل معالجاتها واحد معد لوحدات المعالج المركزي ذات الأداء العالي وأخرى معالجات SoC ذات الطاقة المنخفضة.ان معالج P1271 تم بدقة تصنيع 22nm وهو معالج Soc ذات الطاقة المنخفضة, من معمارية Silvermont انتج هذا المعالج P1271. إن الإنتقال الى دقة تصنيع 22nm لشركة Intel بإستخدام tri-gate non-planar transistors التي تزيد بشكل كبير اداء الترانزستور و تخفض الطاقة وهذا يعني المزيد من المميزات التي سوف تنعكس على رقاقات فئة الموبايل.

الانتقال إلى دقو تصنيع 22nm 3D transistors يتيح لشركة Intel تخفيض عتبة الجهد الكهربائي بحوالي تقريبا 100mV في نفس المستوى . أن موازيين الطاقة مع مربع من الجهد الكهربائي ذلك يعني توفير 100mV بالاعتماد على الجهد الكهربائي الذي نتحدث عنه و قد يكون هائلا جدا. أرقام شركة Intel تضع توفير الطاقة في وضع بين 25-35% عند عتبة الجهد الكهربائي. المكاسب لاتقف عند هذا الحد أيضا حيث عند 1V أعطتها دقة تصنيع 22nm تحسنا بنسبة 18% في أداء الترانزستور و بنفس الأداء يمكن لشركة Intel أن تشغل الترانزستور عند0.8 فولت اي توفير طاقة بنسبة 20%. الفوائد اصبحت أكثر وضوحا في الجهد الكهربائي المنخفض: أداء أسرع بنسبة 37% عند 0.7 فولت أو أقل من نصف الطاقة الفاعلة عند نفس الأداء.امر مميز ان نشهد هذا التطور فيما يخص ذلك.

النتيجة النهائية هنا أن شركة Intel تستطيع موازنة التردد و إضافة المطلوب بشكل أكثر منطقية بدون سحب المزيد من الطاقة بعكس ما فعلته عند دقة تصنيع 32nm.هذا التوجه يساعد الفئة العليا في الأداء، لكن في أغلب الوقت أجهزة الموبايل تعمل بأداء أقل ومستويات طاقة أقل. حيث الأداء لايهم بنفس القدر فإن معالج ذو دقة تصنيع 22nm لشركة Intel يعطي ميزة واضحة.إذا نظرنا على بيانات أداء أول إصدار لـ x86 ضد ARM وقتها سوف المشاكل لدى دقة تصنيع 32nm وأين يجب أن نرى التحسينات الملموسة بالانتقال إلى دقة تصنيع 22nm.

شركة Qualcomm التي انتجت معالج  Krait 200 ذو دقة تصنيع 28nm في الواقع هو معالج كان قادرا على الوصول إلى مستويات طاقة أقل من شركة Intel عند دقة تصنيع 32nm. بدون امتلاك المواصفات الكاملة لا يمكننا ان نجزم بمستوى حفظ الطاقة ولكن في الغالب بأن معمارية Silvermont ستكون قادرة على الوصول بشكل أكبر لمستويات طاقة اقل بكثير من أي شيء شهدناه سابقا وفي الوقت الحالي.

ما هي (OoOE)؟ في الواقع سوف نتحدث عن ما تقصده في حديثنا التالي. في المستوى العالي يكون دور وحدة المعالج المركزي هو قراءة الأوامر من أي برنامج يعمل و تحديد مايريد أن يخبر به الجهاز ليقوم به، تنفيذها وكتابة النتيجة رجوعا إلى الذاكرة.عداد البرنامج ضمن وحدة المعالج المركزي يشير للعنوان في الذاكرة عن الأوامر التالية كي يتم تنفيذها. منطق الجلب أو الإحضار لوحدة المعالج المركزي تلتقط الأوامر بالترتيب يتم فك رمز تلك الأوامر إلى صيغة مفهومة داخليا ( أمر معماري واحد يتطلب أحيانا أن يفك رمزه إلى أوامر متعددة أصغر) حالما يفك رمزها، كل الكميات الضرورية المشغلة حسابيا تُجلب من الذاكرة ( إذا لم تكن مسبقا في السجلات المحلية) ومجموعة الأوامر + الكميات المشغلة التي تصدر للتنفيذ.عندها يتم تكليف النتائج إلى الذاكرة ( سجلات/ ذاكرة كاش/ DRAM) وهي بطريقها إلى المرحلة التالية.

معماريات In-order تكمل هذا الخط بالترتيب من البداية للنهاية. المشكلة الواضحة هي أن العديد من الخطوات ضمن هذا الخط يعتمد على إتاحة توفر الكميات المشغلة فورا. لعدد من الاسباب هذا ليس دائما ممكن.حيث يمكن أن تعتمد الكميات المشغلة على أوامر أخرى مبكرة والتي قد لاتكون انتهت بالتنفيذ، أو قد تكون متمركزة في الذاكرة الرئيسية مئات الدورات بعيدا عن وحدة المعالج المركزي. في تلك الحالات في حالة ما داخل خط المعالج قد تنخفض فعالية الجهاز كليا لأنه مامن عمل تم إلى حين توفر تلك الكميات المشغلة.

معماريات out-of-order تحاول إصلاح هذه المشكلة بالسماح للأوامر المستقلة بالتنفيذ قبل غيرها والتي توقفت في انتظار البيانات. في كلتا الحالتين الأوامر تُجلب وتحال إلى in-order، لكن في معمارية OoO يمكن للأوامر أن تنفذ out-of-order لتحسين الاستخدام الشامل لموارد التنفيذ. ويقصد بـ OoO اي انه معالج يستطيع ان يفك الترميز وينفذ الأمرين في وقت واحد.

الانتقال إلى نموذج OoO بشكل عام يأتي معه سلبيات لمنطقة القالب واستهلاك الطاقة، وهو سبب وراء توجه معماريات وحدة المعالج المركزي السابقة للموبايل بتصاميم in-order. إن كل من ARM11, ARM’s Cortex A8 و(Bonnell) لشركة Intel و نواة Scorpion لشركة Qualcomm كانت كلها بصيغة in-order. وحيث أن متطلبات الأداء استمرت في الصعود ومع الترانزستور جديدة بشكل أصغر واقل طاقة، فإن كل الشركات هنا بدأو بتقديم متغيرات OoO لمعمارياتهم. مع أنه أُشير إليها غالبا على أنها تصاميم in-out-order فإن كل من معالج ARM’s Cortex A9 و Qualcomm’s Krait 200/300 بالكاد يُقال عنها أنها OoO مقارنة مع معالج Cortex A15. تنضم معمارية Silvermont إلى صفوف Cortex A15 على أنها تصميم OoO كليا بواسطة معايير اليوم الحديثة. وتأتي خطوة الانتقال إلى OoO لوحدها على أنه أمر جيد بزيادة بنسبة 30% للأداء الواحد مقابل Bonnell سابقا.

إن Silvermont يغير خط الـAtom بشكل بسيط ولكنه مهم. لدى Bonnell حوالي 16 مرحلة في خط in-order حيث جانب واحد يؤثر على التصميم هو أن على كل العمليات المتضمنة تلك التي ليس لديها مداخل لذاكرة الكاش ,أن تذهب عبر ثلاث مراحل لدخول بيانات ذاكرة الكاش مع أنه لم يحدث شيء خلال تلك المراحل.اما  في out-of-order يسمح Silvermont للأوامر بأن تتجاوز تلك المراحل إذا لم تكن بحاجة إلى بيانات من الذاكرة، مما يقصر بشكل فعال من 12 مرحلة إلى 10 مراحل. إن عمق خط العدد التام للمراحل يتغير الآن وفقا لنوع الأمر المطروح، لكنك تنظر إلى نطاق مراحل مابين 14-17 مرحلة بشكلها العام.

 Branch prediction يتحسن بشكل هائل مع Silvermont وهو أمر رئيسي لأي معمارية معالج دقيق متقدمة. إن Silvermont تأخذ gshare branch predictor لـ Bonnell وتزيد بشكل كبير كل هيكليات البيانات المرتبطة بها.هذا يعني اننا سوف نرى زيادة بنسبة 5-10% في IPC عن معمارية Bonnell.

التطور المعماري من شركة Apple و شركة ARM وشركة Qualcomm كلها كانت باتجاه نواة out-of-order بنسب متفاوتة.مع Swift و Krait فإن كلا شركتي Apple  و Qualcomm ذهبتا نحو جانب أوسع. من Cortex A8 إلى A9 ذهبت شركة ARM لتصميم OoO ومن ثم من A9 إلى A15 قدمت شركة ARM معمارية أوسع بشكل كبير. شركة Intel كسرت هذه النزعة قليلا بإبقاء السعة بشكلها الإجمالي غير متغيرة مع Silvermont. فهي مازالت معمارية 2-wide ونقصد هنا انها مرتبطة بنمط الترميز للمعمارية فكلما زاد العدد زادت مراحل عمق خط المعمارية.

رغم ان هذا القرار التي اتخذته الشركة فيما يخص ذلك نراه مربك ربما، حيث كان على شركة Intel التفكير بمنطقة القالب، استهلاك الطاقة وأيضا مخاطرة ان كان من الممكن جعل Atom جيدة جدا حينما قررت الحفاظ على نفس سعة تصميم Silvermont مثل Bonnell. حيث ان واجهة أمامية أوسع قد يتطلب محرك تنفيذ أوسع، ولكن تعتقد شركة Intel بانها لاتحتاج إلى الذهاب لذلك الحد كي تقدم أداء جيد فعلا. اي انها مقتنعة بما قامت به , مع الأخذ بعين الاعتبار بأن نواة Bonnell هي بالأساس أسرع من Cortex A9 و Krait200. إذا كانت شركة Intel تستطيع أن تحقق مكاسب كبيرة من Silvermont بدون عملية التوسع ؟ فهذا امر جيدا جدا.طبعا وجهة النظر التي تحدثنا عنها تحدث عنها الكثير من في هذا المجال ولكن رغم ذلك من قام بتصنيع هكذا معمارية هو اعلم بما يحتاجه وما هو المناسب لإستخادمه.

إذا كان هناك وصف ما لتصميم شركة Intel مع Silvermont فهو "تصميم منطقي". لماذا نقول ذلك؟  لقد رأينا هذا من شركة Apple مع Swift و من شركة Qualcomm مع الانتقال من Krait200 إلى Krait300. أن قاعدة التصميم التي وضعت حينها مع Atom تقول: لكل زيادة بنسبة 2% في الأداء فإن معمارية Atom تستطيع بالحد الأقصى أن تزيد الطاقة بنسبة 1% بمعنى آخر، يمكن للأداء أن يتصاعد لكن الأداء مقابل الواط لايمكنه أن ينخفض. تحتفظ Silvermont بفلسفة التصميم تلك.

الإصدارات السابقة من Atom استخدمت تقنية Hyper Threading اختصارها (HT) وهي عبارة عن ظهور نواة وهمية من النواة الأساسية  للحصول على استخدام جيد لموارد التنفيذ. ارتبط Hyper Threading بأمر سلبي وهو استهلاك طاقة، لكن رفع الأداء كان كافيا لتبريره في ذلك الوقت. مع دقة تصنيع 22nm كانت شركة Intel تملك منطقة قالب كافية ( بفضل توسعة الترانزستور) لإضافة المزيد من الأنوية بدلا من الاعتماد على تقنية HT لأداء أفضل, لذلك تم وقف استخدام Hyper Threading. توفير الطاقة التي حصلت عليها شركة Intel نتيجة التخلص من Hyper Threading تم تخصيصه لجعل Silvermont بتصميم out-of-order مما ساعد بدوره بدفع الاستخدام الفعال لموارد التنفيذ بدون HT. وتبين أن منطقة القالب مع دقة تصنيع 22nm التي كانت شركة Intel ستصرفها على تمكين HT كان تقريبا نفس الحجم لإعادة الترتيب واستخدام OoO لـSilvermont، لذلك لم يكن هناك اي سلبيات في هذه الخطوة إنما كانت إيجابية بإمتياز.

انتظرونا في تكملة الجزء الثاني من المقالة والتي سوف تصدر قريبا.