"Ludzie tacy jak my, wierzący w fizykę, wiedzą, że różnica między przeszłością, teraźniejszością i przyszłością jest tylko uparcie obecną iluzją."
-- Albert Einstein

Superprocesor Microsoftu

Nowa wersja rozwiązania System on Chip (SoC) burzy utarty schemat rozwoju kolejnych generacji procesorów i może mocno namieszać na rynku IT.

Nowe procesory powstawały dotychczas w wyniku stopniowej ewolucji. Każdą kolejną generację cechowała większa liczba tranzystorów, mniejsze struktury w układzie, a później coraz większa liczba rdzeni umożliwiających równoległe wykonywanie wielu zadań. Aby zapewnić procesorom stałe dostawy surowych danych, na płytach głównych instalowano coraz szybsze chipsety i coraz wydajniejsze magistrale. Stąd już tylko krok do pomysłu połączenia procesora z innymi elementami komputera w jednym układzie w celu ograniczenia długości połączeń elektrycznych. Tego rodzaju rozwiązania noszą wspólną nazwę System on Chip (SoC) i już od lat są z powodzeniem stosowane w urządzeniach z systemami wbudowanymi. Jednak wydajność takich układów dzielą od możliwości nowoczesnych procesorów komputerowych (x86) i konsolowych (np. procesorów Cell) lata świetlne. Dlaczego więc Microsoft podjął współpracę z IBM-em, wyręczając procesorowych gigantów AMD i Intela w opracowaniu układu SoC? Głównej przyczyny można szukać w dwóch faktach. Z jednej strony, szacuje się, że koszty serwisu i wymiany uszkodzonych konsol Xbox 360 przez Microsoft sięgną 1,05– 1,15 mld dolarów – niezbędne stało się więc szybkie przygotowanie bardziej niezawodnego sprzętu. Z drugiej – IBM ma duże doświadczenie w zakresie urządzeń z systemami wbudowanymi, a poza tym przygotował poprzednią generację procesorów do konsoli Xbox. Inżynierowie obu firm połączyli więc determinację Microsoft u i doświadczenie IBM-a podczas wspólnych prac nad procesorem wyposażonym poza zwykłymi rdzeniami obliczeniowymi również w silnik graficzny i wiele elementów dotychczas montowanych osobno na płytach głównych.

Wolniej dla starszych programów

Efektem prac jest układ SoC wyposażony w trzy rdzenie obliczeniowe i układ graficzny AMD. Każdy z trzech rdzeni jest taktowany zegarem 3,2 GHz i dysponuje pamięcią podręczną poziomu pierwszego o wielkości 32 KB na komendy i dane. Pamięć cache poziomu drugiego o pojemności 1 MB jest wspólna dla wszystkich rdzeni. W poprzednim modelu Xbox 360 procesor komunikował się z GPU przez magistralę Front Side Bus (FSB). Po połączeniu tych elementów w jednym układzie inżynierowie zastąpili zewnętrzną magistralę FSB zintegrowanym modułem FSBR (FSB Replacement) pełniącym tę samą funkcję. Czas latencji został przy tym sztucznie wydłużony, a przepustowość – ograniczona, by charakterystyka modułu FSBR była identyczna ze specyfikacją dotychczasowej magistrali FSB. Chodziło o to, by zachować kompatybilność nowego modelu konsoli ze starszymi – nowy układ nie mógł pracować szybciej niż stosowana wcześniej kombinacja procesora PowerPC i GPU.

Bardziej oszczędny, by komputer był cichszy

Nowe procesory do konsoli Xbox są produkowane w technologii 45 nm. Pierwsza generacja procesorów (2005) była tworzona jeszcze w technologii 90 nm, a druga (2007) – w technologii 65 nm. Już samo zastosowanie mniejszych struktur obniżyło zapotrzebowanie układów na energię elektryczną. Dzięki efektowi synergii, wynikającemu z połączenia GPU oraz mostków północnego i południowego z procesorem w jednym układzie, chip SoC w nowych Xboksach jest złożony z zaledwie 372 mln tranzystorów. Największe oszczędności przyniosła jednak rezygnacja z magistral na płycie głównej, gdyż zniknęła konieczność obróbki i przekształcania przesyłanych danych. Zużycie prądu spadło o około 60 proc., co przełożyło się na zmniejszone wydzielanie ciepła. Mniejsze potrzeby w zakresie chłodzenia oznaczają z kolei redukcję hałasu wytwarzanego przez wentylatory – o ile dotychczas konsole Xbox były znane z hałaśliwości, o tyle w nowym modelu najgłośniejszym elementem jest napęd DVD. Zastosowanie układu System on Chip pozwoliło obniżyć poziom hałasu aż o połowę w porównaniu do urządzeń poprzedniej generacji.

Różnice pomiędzy platformami Menlow i Tunnel Creek

Następcy: AMD i Intel

AMD Llano w przyszłym roku
AMD określa swoje układy SoC mianem APU (Accelerated Processing Unit), a procesor stworzony w tej technologii nosi nazwę Llano. Ponieważ wspólny układ CPU/GPU ma się składać aż z miliarda tranzystorów, AMD wstrzymuje jego produkcję do czasu dopracowania technologii 32 nm. Pierwsze 32-nanometrowe procesory (lecz nie Llano) pojawią się na rynku na początku 2011 r. 

Intel startuje już w tym roku
Tunnel Creek to nazwa kodowa układu SoC Intela, który będzie dostępny dla producentów komputerów i urządzeń z systemami wbudowanymi już w IV kwartale tego roku. Układ bazuje na architekturze Pine Trail wykorzystującej procesory Atom. Ma się cechować bardzo korzystną wartością TDP (Thermal Design Power) na poziomie zaledwie 2 W. Umożliwi to konstruowanie komputerów o poborze mocy rzędu 5 W.

Wytrzymalsze dla dłuższej pracy

Zmniejszone wydzielanie ciepła przez Xboksy z układami SoC znacznie wydłuża żywotność ich podzespołów. „Czerwony pierścień śmierci” spędzający sen z powiek użytkowników konsoli jest w zasadzie obcy urządzeniom najnowszego typu. Określane w ten sposób czerwone podświetlenie przycisku uruchamiającego Xboksa jest sygnałem poważnego błędu sprzętowego. Dotychczas zdecydowanie najczęstszą przyczyną takich błędów była długotrwała praca elementów urządzenia w zbyt wysokiej temperaturze. Jednak również konkurencyjne konsole walczą z upałem w obudowie: w CHIP-ie 10/2010 prezentowaliśmy niekonwencjonalną metodę naprawy PlayStation przy użyciu opalarki.

Poza korzyściami związanymi z wydłużeniem żywotności Xboksów wynikającym z obniżonej emisji ciepła ograniczona liczba komponentów i zrezygnowanie z elementów infrastruktury komunikacyjnej (magistral na płycie głównej) wpłynęły pozytywnie na bezawaryjność konsoli. Krótko mówiąc: to co Microsoft usunął, nie może się zepsuć.

Mniejsze do mniejszych obudów

Mniej części, mniej połączeń, mniejsze potrzeby w zakresie chłodzenia – to zachęta do stosowania mniejszych obudów, również o nietypowych, designerskich kształtach. O ile dla nowego Xboksa 360, noszącego zresztą przydomek „Slim” nie jest to szczególnie ważne, o tyle układy System on Chip otwierają nowe możliwości przed twórcami innych typów urządzeń, np. komputerów PC i notebooków. Wielkość obudowy w znacznie mniejszym stopniu będzie zależała od wymiarów komponentów wewnętrznych, a bardziej od wizji projektanta i liczby dostępnych złączy. Dzięki temu pojawią się komputery trudne do rozpoznania na pierwszy rzut oka.

Microsoft dał sygnał do startu. Choć Intel i AMD ociągają się z wejściem na rynek, technika to nie czary, a fakt, że Microsoft zlecił produkcję swoich układów aż dwóm wytwórcom (IBM i tajemnicza, nieznana firma), wyraźnie pokazuje, iż masowa produkcja chipów SoC w technologii 45 nm ma rację bytu.

Tańsze dla przyszłości

Gdy z czasem nowe rozwiązanie się upowszechni, efekt będzie jeden: tańsze komputery PC i notebooki. Komputery stacjonarne staną się przy tym mniejsze i cichsze, a przenośne skorzystają na zmniejszonym zużyciu energii przez układy o wysokim stopniu integracji.