Escuela Superior de Ingenieros de Telecomunicación Microprocesadores para comunicaciones. Qué es Intel AtomTM?...3. Arquitectura...

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1 Índice de contenido Qué es Intel AtomTM?...3 Arquitectura...4 Advanced Micro-Ops...4 Intel Smart Cache...4 Intel Digital Media Boost...5 Diagrama de bloques...5 El microprocesador antes conocido como... Silverthorme...8 El microprocesador antes conocido como... Diamondville...9 Plataformas Intel...10 Intel Centrino AtomTM...10 Nettops...11 Netbooks...12 Sistemas y equipos que usan Intel Atom...13 TP A40/30x de Concurrent Technologies...13 Lineas en desarrollo y futuro de la arquitectura...14 Intel AtomTM Medfield...14 Intel y AtomTM llegan en SoC...14 Plataforma Intel Moorestown...14 Canmore y Sodaville...15 Fuentes...16 Yeray Hernández Suárez, Enero de

2 Índice de ilustraciones Ilustración 1: Spring 2008 IDF, Shanghai...3 Ilustración 2: Pipeline de 16 etapas...4 Ilustración 3: Diagrama de bloques de la arquitectura...5 Ilustración 4: Intel Deep Power Down Technology...6 Ilustración 5: Layout de Silverthorne y datos de ocupación...7 Ilustración 6: Silverthorne y moneda de Ilustración 7: Centrino Atom...10 Ilustración 8: Centrino Atom...10 Ilustración 9: Micro ATX con Intel Atom Ilustración 10: Intel Desktop Board D945GCLF...11 Ilustración 11: Esquema Netbook...12 Ilustración 12: Netbooks, IDF Shaghai...12 Ilustración 13: Acer Aspire One...12 Ilustración 14: TP A40/30x...13 Ilustración 15: SoC...14 Ilustración 16: Canmore y Sodaville...15 Yeray Hernández Suárez, Enero de

3 Qué es Intel Atom TM? Intel Atom es el nombre de la nueva familia de procesadores con consumo eficiente de energía diseñados específicamente para dispositivos móviles para Internet (Mobile Internet Devices, MID) y una nueva clase de equipos portátiles (netbooks) y PC de escritorio (nettops) económicos y sencillos centrados en Internet, que lleva desde verano de 2008 en el mercado. Además, esta nueva familia de procesadores es una importante oportunidad de crecimiento general del mercado para el silicio de Intel utilizando el procesador Intel Atom como la base. La compañía anunció la tecnología de procesador Intel Centrino Atom para plataformas MID que consta de múltiples chips que hacen posible la mejor experiencia en Internet en un dispositivo de bolsillo, así como varios SoC en un futuro inmediato. La arquitectura es completamente nueva, diseñada específicamente para dispositivos pequeños y para ofrecer un bajo consumo de energía, conservando total compatibilidad con el conjunto de instrucciones Intel Core 2 Duo a la que está acostumbrado el mercado, los consumidores y los desarrolladores en general. Por otra parte, el reducido tamaño del chip, que mide menos de 25 mm², lo que lo convierte en el procesador más pequeño y de más bajo consumo de energía que Intel ha presentado hasta ahora. El lanzamiento de la familia Intel Atom TM, se produjo durante el Intel Developer Forum (IDF) de Shanghai en la primavera de Se aunan bajo la misma marca comercial dos microprocesadores basados en la misma arquitectura, Silverthorne, rebautizado como Atom TM Z series, y Diamondville, que pasa a tener el nombre comercial de Atom TM N series. Ilustración 1: Spring 2008 IDF, Shanghai Yeray Hernández Suárez, Enero de

4 Arquitectura Intel Atom parte de a las arquitecturas Intel de mediados de los noventa. Nos encontramos frente a un microprocesador x86 de tipo CISC. Advanced Micro-Ops Arquitectura básica del microprocesador. Pipeline de 16 etapas in-order, sin ejecución especulativa o renombrado de registros, optimizada para dar un eficiente throughput, pero siempre con el consumo como principal clave. Pipeline dual, para posibilitar la decodificación, expedición y ejecución de dos instrucciones por ciclo. Lógica avanzada de Stack Pointer, para mejorar la eficiencia en llamadas y retornos a rutinas. Ilustración 2: Pipeline de 16 etapas Intel Smart Cache. Tecnología de Intel para el mejor uso de la Cache. Cache L2, 512kb asociativa de 8 vías. 256 bit datapath entre L2 y L1. Lógica de carga especulativa en L1 y L2 para reducción de los Cache miss. Yeray Hernández Suárez, Enero de

5 Intel Digital Media Boost Es una tecnología orientada a la aceleración de contenidos multimedia. Dos puertos de expedición de instrucciones tipo SIMD a las unidades de ejecución. Throughput de un sólo ciclo para las instrucciones de 128bit SIMD. Mas de 6 operaciones de punto flotante por ciclo Mas de 2 operaciones de 128bit SIMD por ciclo. Posibilidad de ejecutar fuera de orden las instrucciones de coma flotante respecto a las enteras. Diagrama de bloques. Ilustración 3: Diagrama de bloques de la arquitectura Yeray Hernández Suárez, Enero de

6 En la ilustración se observa diagrama de bloques básico de la estructura de Atom, formado por cinco clusters y dos colas del planificador; Bus cluster; Contiene la cache L2, el controlador de interrupciones y el interfaz de bus. Memory execution cluster; Formado por la cache L1 de datos, y la lógica para ejecución de instrucciones con acceso a memoria. Integer execution cluster; Dos ALUs y desplazadores, separados en los dos pipelines existentes. FP/SIMD execution cluster; Bloque para la ejecución de instrucciones en coma flotante, así como de las instrucciones de aceleración multimedia. Front-End cluster; En este bloque se encuentra la cache L1 de instrucciones, así como la lógica de predicción de salto. También la lógica para el control del doble pipeline. En lineas generales toda la familia Atom se basa en lo relatado anteriormente, en el siguiente punto se analizan las particularidades de cada núcleo. Sobre las posibilidades y compatibilidad de Intel Atom TM, con el resto de microprocesadores x86, este soporta la mayoría de las tecnologías modernas de otros Intel; Intel SpeedStep Technology Intel Hyper-Threading Intel Deep Power Down Technology (hasta C6 en Z series y C4 en N, ver la imagen debajo de estas lineas), incluyendo el dimensionamiento dinámico de Cache. Clock Gating. Ilustración 4: Intel Deep Power Down Technology Yeray Hernández Suárez, Enero de

7 Soporte para nuevas instrucciones y para Streaming SIMD Extensions 3 (SSSE3). Intel Virtualization Technology Intel 64 Architecture (solamente para Diamondville) Ilustración 5: Layout de Silverthorne y datos de ocupación. Conocidos originalmente con los nombres en código Silverthorne y Diamondville, su fabricación se realiza con el proceso de 45 nm Hi-K de Intel (libre de plomo en un 96%). Tienen un consumo de energía promedio en un rango de watts y hasta 1.8 Ghz de velocidad de reloj, dependiendo del diseño y de las necesidades del cliente. En comparación, los chips Core 2 Duo móviles de alto rendimiento tienen un consumo de energía promedio en el rango de 35-watts. En la ilustración vemos el layout de Silverthorne dividido en los cluster ya estudiados anteriormente. Incluye una tabla, en la que observamos que es la L2 cache, lo que ocupa un mayor espacio, llegando a los 30 millones de transistores, del total de 47 millones, en un área de 25mm 2. Yeray Hernández Suárez, Enero de

8 El microprocesador antes conocido como... Silverthorme. Intel Atom Silverthorne es un procesador IA- 32, single core, capaz de direccionar un máximo de 4Gb de memoria, y con un número de registros típico de las arquitecturas x86 (GP: 32, FPU: 80, MMX: 64, XMM: 128). Usa un nivel L1 de cache de 56Kb (write-back), repartidos de forma asimétrica entre datos e instrucciones, asignando 32Kb para la memoria de instrucción, y los 24Kb restantes para los datos. Ilustración 6: Silverthorne y moneda de 0.5 Dentro del conjunto de instrucciones x86, los microprocesadores Atom basados en Silverthorne son capaces de ejecutar los subconjuntos; General Purpose; x86 original. System Instructions; Instrucciones de control. x87 FPU; Expansión de x86 para operaciones matemáticas complejas y punto flotante. x87 FPU and SIMD State Management; Instrucciones que aplican una misma operación sobre un conjunto más o menos grande de datos. MMX Technology; Otro conjunto SIMD SSSE3 Extensions; Nuevo conjunto SIMD para procesado multimedia. VMX Instructions; Instrucciones creadas para el uso de máquinas virtuales. La familia Z5xx series se compone de 5 núcleos, encapsulados en FCBGA8 de 441 pins, que se diferencian en su reloj y velocidad de FSB, haciéndose patente en el consumo de cada uno. Intel Atom Processor Z540 (512K Cache L2, 1.86 GHz, 533 MHz FSB) 2,4 Watts Intel Atom Processor Z530 (512K Cache L2, 1.60 GHz, 533 MHz FSB) 2 Watts Intel Atom Processor Z520 (512K Cache L2, 1.33 GHz, 533 MHz FSB) 2 Watts Intel Atom Processor Z510 (512K Cache L2, 1.10 GHz, 400 MHz FSB) 2 Watts Intel Atom Processor Z500 (512K Cache L2, 800 MHz, 400 MHz FSB) 0,65 Watts Optimizado para lograr consumos muy bajos, este chip, el mas caro de la familia Atom TM, está pensado para ser integrado en MIDs y dispositivos ultraportátiles. Yeray Hernández Suárez, Enero de

9 El microprocesador antes conocido como... Diamondville. Intel Atom Diamondville es un procesador Intel64, single y dual core, capaz de direccionar más de 64Gb de memoria, y con un número de registros típico de las arquitecturas x86 (GP: 32,64, FPU: 80, MMX: 64, XMM: 128). Al igual que Silverthorne, usa cache L1 de 56Kb (write-back), repartidos de forma asimétrica entre datos e instrucciones, 32Kb para memoria de instrucción, y 24Kb para datos. Al ser una estructura Intel64, soporta todos los conjuntos de IA-32 ya mencionados en Silverthorme, y además los relativos a Intel64. En total, Diamondville soporta todas las expansiones actuales excepto SSE4 y SMX, que tan solo funcionan en los mas actuales Quad Core, Intel Xeon, y los nuevos Core i7. Diamondville, encapsulado en FCBGA8 de 437 pines, se presenta en dos formatos diferentes, para equipos portátiles de bajo costo, con el Intel Atom N270, y para sistemas de sobremesa, con Intel Atom 230. En septiembre de 2008, Intel anunció la salida al mercado de un nuevo núcleo Atom, el 330, orientado también a PC's de sobremesa. Este microprocesador es un dual core basado en Atom 230. Los dos núcleos orientados a sobremesa, soportan placas base, tanto basadas en chipset de Intel, como de SiS. Todo esto es ampliado en el siguiente apartado, en el cual se exponen las plataformas en las que Intel ha localizado sus productos. Intel Atom Processor N K Cache L2, 1.60 GHz, 533 MHz FSB 2,5 Watts Intel Atom Processor K Cache L2, 1.60 GHz, 533 MHz FSB 4 Watts Intel Atom Processor 330 1M Cache L2, 1.60 GHz, 533 MHz FSB 8 Watts Optimizado mas hacia dar un mejor rendimiento, con un ligero mayor consumo de potencia y un coste barato, este microprocesador está orientado a las plataformas Nettop y Netbook. Yeray Hernández Suárez, Enero de

10 Plataformas Intel. Como estrategia de marketing, Intel auna sus diseños en plataformas, de forma que sus microprocesadores forman parte de algo, que con un nombre único, permite tanto nombrar al micro como al chipset, y en muchos casos otras tecnologías, tales como el WiFi. De esta forma cada sector del mercado, es ocupado por una plataforma concreta, que especifica todo lo necesario para hacer que el sistema funcione, y además añade la garantía de que Intel, ha desarrollado un producto pensando en que se adapte de manera perfecta a sus compañeros de plataforma. Un ejemplo, es Intel Centrino, plataforma que se va actualizando con lo mejor de Intel para dispositivos móviles y portátiles, que ha funcionado tan bien, que muchos usuarios creen que es Centrino el nombre de su microprocesador, y no una conjunción de microprocesador, chipset y tarjeta WiFi. Y formando parte de Centrino, nos encontramos la plataforma Menlow, pensada para MIDs, y basada en Intel Atom. Ilustración 7: Centrino Atom Intel Centrino Atom TM Es parte de la plataforma Intel Centrino. Menlow está integrada por los microprocesadores Silverthorne, concretamente por Z510 y Z530, y el chipset de Intel SCH US15W (de nombre código Poulsbo) que integra una aceleradora gráfica Intel Graphics Media Accelerator 500, el controlador de memoria, y el controlador de entrada/salida, con sonido integrado, soporte para USB 2.0, SATA, y lógica de codificación/decodificación de vídeo ( H.264, MPEG2, MPEG4, VC1 y WMV9), en un sólo chip de bajo consumo y reducido tamaño (aun así, mayor que el tamaño). En la ilustración vemos la arquitectura básica de un sistema montado con la tecnología de esta plataforma, con un sólo chip, que actúa como hub del sistema, dando conectividad al microprocesador con la entrada/salida. Está pensada para MIDs, y no para ordenadores portátiles como Ilustración 8: Centrino Atom había sido habitual hasta ahora en Centrino Yeray Hernández Suárez, Enero de

11 Nettops Cuando hablamos de un Nettop, nos referimos a un sistema básico de sobremesa, para usuarios que demandan contenidos multimedia y navegación web, a un precio reducido. Es una versión ligera, diseñada para ser muy eficiente energéticamente y de pequeño tamaño, de un Pc normal de sobremesa. Intel propone sus procesadores Intel Atom 230 y 330 para este cometido, y su plataforma para Nettops, los combina con un conocido chipset, el Intel Ilustración 9: Micro ATX con Intel Atom GC - también es posible usar un chipset de la marca SiS, pero nos centraremos en Intel, para hablar de la plataforma que la empresa propone -. En el gráfico bajo estas lineas vemos el diagrama de bloques de una mainboard de Intel - la misma de la foto superior - de formato Micro-ATX (desarrollado por VIA), donde apreciamos que es un Pc completo en el que no falta de nada para una navegación completa por internet, o el acceso a contenidos multimedia. Actualmente se encuentran ya al alcance de los compradores, como en la foto al comienzo de esta página, usualmente con el microprocesador 330 dado que da un mayor rendimiento. El consumo Además y como nota gratificante, muchos fabricantes están optando por entregar estos equipos con distribuciones de Linux amigables para el usuario, tales como Ubuntu, Kubuntu o Mandriva. Ilustración 10: Intel Desktop Board D945GCLF Yeray Hernández Suárez, Enero de

12 Netbooks Basados en Intel Atom N270, aunque con competidores por parte de otras marcas, como el microprocesador VIA NANO. El nicho de mercado de esta plataforma es equivalente a un ordenador portátil de medio rendimiento, con gran autonomía, pensado para el acceso a internet, Ilustración 11: Esquema Netbook Ilustración 12: Netbooks, IDF Shaghai suites ofimáticas y acceso a contenido multimedia. Podría decirse que nos encontramos ante un Nettop portátil. Intel plantea esta plataforma, acompañando al Intel AtomTM N270 del chipset Mobile Intel 945GSE Express, formado por el controlador de gráficos y memoria Intel 82945GSE (puente norte) y el controlador de entrada/salida Intel I/O Controller Hub7-M (puente sur). En las ilustraciones vemos qué nos ofrece la plataforma, gracias a la gran cantidad de sistemas integrados del chipset elegido por Intel,y un sencillo diagrama de de bloques de la plataforma. El consumo del conjunto de microprocesador y chipset está en torno a los 12w, donde el chipset es el mayor consumidor. Ilustración 13: Acer Aspire One En la segunda mitad de 2008, el mercado se ha llenado de dispositivos de esta plataforma, con una agradable aceptación por parte de los usuarios básicos, que han visto resuelta una demanda surgida del gran uso de internet, poder estar conectado a a red, con un dispositivo de gran batería a un precio realmente desconocido en el campo de los ordenadores portátiles. Yeray Hernández Suárez, Enero de

13 Sistemas y equipos que usan Intel Atom. El consumo de la familia de procesadores Intel Atom, así como su tamaño, ha llamado la atención de otras empresas, interesadas en usar en sus productos este microprocesador. Así sacamos a Atom del contexto en el cual lo hemos estudiado en este pequeño análisis, para integrarlo en sistemas con buses industriales como Can, o CompacPCI, preparados para automoción, industria, ferrocarril, o industria aeroespacial. TP A40/30x de Concurrent Technologies. 1,6 Ghz Intel Atom processor Z530 Intel System Controller Hub US15W Vemos una aplicación industrial de la plataforma Menlow, para un computador encastrado en un rack con backbone CompacPCI. A partir de Menlow, el fabricante ha añadido la entrada/salida que le pareció mas interesante para la aplicación a la que está destinado el producto. Ethernet Gigabit Puertos SATA 1Gb DDR2-SDRAM soldado en placa. Controlador para bus CompacPCI. Controlador para bus CAN. Ilustración 14: TP A40/30x Yeray Hernández Suárez, Enero de

14 Lineas en desarrollo y futuro de la arquitectura. Intel AtomTM Medfield. Para el año 2010, Intel contempla en su hoja de ruta, la salida al mercado de una actualización de Atom TM, haciendo coincidir su salida con el procesador VIA NANO de doble núcleo. Este nuevo diseño se denomina Intel Atom TM Medfield, y está construido con una tecnología de silicio de 32nm. Con esto, se pretende trasladar la arquitectura Diamondville actual, de 45nm, que incluye los chips Intel Atom TM N270, 230 y 330 a una nueva tecnología de fabricación, además de integrar en el dado elementos externos al microprocesador, tales como el controlador de memoria y el chipset gráfico, y aceleración multimedia, todo orientado a un menor consumo de potencia. Como ya ocurre con la actual arquitectura Diamondville, Intel Atom TM Medfield existirá tanto en versiones con un núcleo como con dos núcleos. De esta forma, Intel pretende afianzarse, continuando la linea emprendida con los primeros núcleos Atom, en el enorme mercado de los dispositivos móviles de bajo consumo, netbooks y nettops. Intel y Atom TM llegan en SoC. Actualmente Intel tiene en torno a 15 proyectos referidos a SoC, algunos de ellos orientados a la electrónica de consumo. Algunos de estos proyectos están basados en Intel Atom TM, pretendiendo brindar la ultima tecnología, a un bajo coste a los consumidores. Ilustración 15: SoC Plataforma Intel Moorestown. Llamada a suceder a la plataforma Menlow (basada en la arquitectura Silverthorme), Intel espera introducir a finales de 2009 o principios de 2010 un nuevo concepto de microprocesador. Moorestown será la unión de un SoC (llamado Lincroft) en tecnología de 45nm, que integrará un microprocesador Intel Atom TM basado en Silverthorme, chip gráfico, controlador de memoria y un codificador/decodificador de vídeo, y un controlador Yeray Hernández Suárez, Enero de

15 de entrada/salida preparado para altas conectividades tales como WiMAX, WiFi, GPS, Bluetooth, TV móvil, 3G y HSDPA (alta velocidad de datos sobre redes de telefonía móvil), además de unidades de almacenamiento. Además Intel asegura poder reducir hasta en un factor de 10, el consumo de los dispositivos que usen esta plataforma, en comparación con el actual para dispositivos móviles para internet (MID's) Canmore y Sodaville Llegarán entre mediados de 2009 y final del mismo año, primero Canmore y luego su versión mas potente, Sodaville. Estos dos SoC pretenden afianzarse en el mercado, usando la misma idea de el chip Lincroft antes mencionado, en sistemas de sobremesa y settop-boxes. Ambos estarán basados en Intel Atom TM Diamondville, y no se descarta, al estar el lanzamiento de Canmore próximo a los Atom de 32nm, que este SoC pudiera ser fabricado también con esta tecnología. Con todo ello, la empresa que fundaron Gordon E. Ilustración 16: Canmore y Sodaville. Moore y Robert Noyce a finales de los sesenta, pretende llevar el conjunto de instrucciones x86 a los dispositivos de electrónica de consumo. Yeray Hernández Suárez, Enero de

16 Fuentes Yeray Hernández Suárez, Enero de