Một số bộ vi xử lí đời cũ của AMD – phần 1
1. Giới thiệuAMD ( Advanced Micro Devices ) là hãng sản xuất Chip đi theo cả một quá trình phát triển của máy vi tính . AMD cung cấp tất cả các bộ vi xử lí đầu tiên 8088 cho máy vi tính của IBM tới hiện nay là thế hệ thứ 7 của bộ vi xử lí AMD Athlon . AMD bắt đầu sản xuất Chip logic vào năm 1969 sau đó sản xuất RAM vào năm 1975 , cùng năm đó giới thiệu bộ vi xử lí giống như kiểu 8088 .
Trên thực tế nhìn chung sự xuất hiện Chip Athlon của AMD là cơ hội đầu tiên trong lịch sử của cấu trúc x86 làm cho công ty địch thủ Intel phải nể sợ . Nhưng trong những thập kỉ của thế kỉ trước khi 386DX-40 của AMD xuất hiện đó chính là rào cản của Chip Intel 486SX trong khía cạnh cùng tốc độ , hiệu năng và giá cả .
Đầu năm 1982 , AMD kí với Intel một hợp đồng và trở thành nhà cùng sản xuất Chip 8086 và 8088 . IBM muốn sử dụng Intel 8088 trong những máy vi tính của IBM , nhưng chính sách của IBM vào thời gian đó yêu cầu ít nhất 02 nguồn cung cấp cho Chip của họ . Sau này AMD sản xuất 80286 ( hoặc 286) trong cùng một sự thoả thuận trên , những Intel đã huỷ thoả thuận đó vào năm 1986 và từ chối cung cấp những chi tiết kỹ thuật liên quan đến i386 .
Đầu năm 1990 cả hai Cyrix và AMD đã sản xuất Version của 486DX theo cách của họ và sản phẩm được biết đến nhiều nhất chính là 486DX2, một phiên bản Copy của 486DX2-66 ( được Intel giới thiệu năm 1992) , có tốc độ xung nhịp đồng hồ bên trong CPU là 80MHz . 486DX2-80 dựa trên tốc độ Bus 40MHz nhưng không như DX2 của Intel ( chạy bị nóng với nguồn nuôi 5V) nó chạy mát hơn với điện áp nuôi 3.3V . Bên trong CPU của AMD có một phần quản lí công suất ( Power Management ) , và một năm sau phần này cuỹng được sử dụng trong bộ vi xử lí của Intel . Kiểu tốc độ gấp ba so với tốc độ 40MHz có nghĩa là chạy với tốc độ 120MHz được giới thiệu ngay sau đó .
Mặc dù Intel đã dừng cải tiến 486 với sản phẩm cuối cùng là 486DX4-100 nhưng AMD và Cyrix vẫn còn tiếp tục phát triển . Năm 1995 , AMD đưa ra thị trường sản phẩm cPU tốc độ nhân 4 là 5×86 dựa trên tốc độ Bus 33MHz nhưng có tốc độ xung nhịp bên trong CPU là 133MHz ( 33 x 4 ) . Chip này của AMD đánh giá được so sánh với Chip của Intel là Pentium 75 nên cũng hay được gọi là 5×86-75 . Nhưng nó vẫn dựa trên cơ sở của 486DX và thêm bộ nhớ Cache L1 16KB được tích hợp bên trong CPU mà đã được Intel giới thiệu trong DX4 .
Trongthời kì Pentium , những thiết của của AMD được thị trường chấp nhận được đạc biệt có giá thành thấp . Trong khi đó Intel tập trung vào thiết kế Slot 1 và Slot 2 để nhắm tới thị trường thiết bị PC có tính toán mạnh mà không chú ý tới công nghệ giao diện mới CPU . Chính vì thế mà kiểu Socket 7 được tiếp tục mở rộng bởi AMD và Cyrix và đã phát triển với FSB được 100MHz và hỗ trợ AGP .
Giữa năm 1999 có một vài cột mốc quan trọng và phân biệt hẳn những đối thủ trong thị trường sản xuất bộ vi xử lí trong những năm tiếp theo , đó là Cyrix đã ngừng cạnh tranh thiết bị PC để bàn vì những khó khăn về tài chính . Côngty mẹ National Semiconductor phải bán quyền sửdụng bộ vi xử lí x86 cho VIA Technology . Một cột mốc đáng kể nhất là AMD đã tấn công vào Intel với sản phẩm có tên là bộ vi xử lí Athlon ( tên mã sản phẩm K7 ).
Trong khi đó Intel chậm trễ ra đời sản phẩm Pentium III dựa trên công nghệ sản xuất 180nm ( có tên mã là Coppermine ) vào lúc AMD phát hành bộ vi xử lí mới . Nó đã đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của AMD trên dòng sản phẩm bộ vi xử lí có công suất tính toán cao và cạnh tranh quyết liệt với Intel trong một thời gian dài .
2. AMD K6
Trong nhiều năm AMD cũng như Cyrix đã sản xuất những bộ vi xử lí 286,386 và 486 mà có nguồn gốc trực tiếp từ thiết kế của Intel . K5 là sản phẩm bộ vi xử lí độc lập đầu tiên của AMD cho dòng sản phẩm CPU x86 , nó là một trong những hy vọng vào sự thành công của AMD . Trong thời gian đó K5 có một thành công giới hạn nhưng đó là một cơ hội cho những bộ vi xử lí mà AMD tự thiết kế .
K6 được bắt đầu bằng sự ra đời bởi Nx686 , nó được đổi tên sau khi AMD mua lại NextGen . NextGen đã tham gia thị trường CPU bằng bộ vi xử lí theo Socket của họ nhưng AMD đã thay đổi thiết kế để vừa với khe cắm chuẩn Socket 7 .
K6 là bộ vi xử lí tương thích với MMX được phát hành giữa năm 1997 , một vài tuần sau khi được đưa ra thị trường K6 đã vượt lên trên cả Cyrix 6x86MX và ngay lập tực được thị trường chấp nhận .
Được sản xuất dựa trên côngnghệ 350nm , xử lí 5 lớp và K6 nhỏ hơn 20% so với Pentium Pro và nhiều hơn 3.3 triệu transistor ( 8.8 triệu so với 5.5 triệu transistor ) . K6 có bộ nhớ Cache L1 64KB bao gồm 32KB cache lệnh và 32KB cache Writeback . Nó nhiềugấp 4 lần so với Pentium Pro và gấp 2 lần so với Pentium MMX và Pentium II.
K6 hỗ trợ công nghệ MMX của Intel , bao gồm 57 lệnh mới x86 được thiết kế để tăng tốc độ tính toán đối với những chương trình Multimedia . Cũng như Pentium Pro
K6 được thếit kế dựa trên tập lệnh RISC ( Reduced Instruction Set Computer ) .
RISC86 của AMD có vi cấu trúc Superscalar ( thực hiện được những lệnh một cách liên tục bên trong bộ vi xử lí , ví dụ một lệnh đang được thực hiện thì một lệnh khác đang được giải mã , một lệnh khác nữa đang được phân tích để chuyển tới những mạch logic tương ứng ) . K6 có thêm những công việc OOO , đổi tên thanh ghi ( Register Renaming ) , dự đoán rẽ nhánh ( branch prediction ) , thực hiện những phép tính suy đoán (speculative )…
K6 có những phiên bản 166MHz , 200MHz và 233MHz . Hiệu năng tính toán của nó tương đương với Pentium Pro cí cùng tốc độ xung nhịp mà có bộ nhớ cache L2 512KB .
Nó cũng có đặc điểm chung với CPU của Cyric là những phép tính dấu phảy động kém hơn so với CPU của Intel ( Pentium Pro , Pentium II ) . Quá trình xâm nhập những sản phẩm K6 của AMD từ năm 1997 đến trước năm 1998 và AMD đã phát triển công nghệ sản xuất CPU dựa trên 250nm và phát triển K6 với tốc độ 266MHz và 300MHz.
3. AMD K6-2
Bộ vi xử lí AMD K6-2 có 9.3 triệu transistor được sản xuất trên công nghệ 250nm , xử lí 5 lớp . Bộ vi xử lí được đóng gói kiểu CPGA (ceramic pin grid array) 321 chân .
K6-2 là sự cải tiến trong vi cấu trúc RISC86 , bộ nhớ Cache L1 84KB ( bộ nhớ Cache dữ liệu 32KB Dual Port , bộ nhớ cache lệnh 32KB , thêm 20KB cache Predecode ) , cải tiến Execution Unit liên quan đến những phép tính dấu phảy động . Tốc độ tính toán liên quan đến tập lệnh MMX so với CPU tương ứng của Intel thì kém hơn một chút . Đầu năm 1999 bộ vi xử lí nhanh hơn với tốc độ 450MHz .
Trong CPU K6-2 thuộc thế hệ sau có sử dụng công nghệ 3DNow! , 21 lệnh mới nâng cao so với những lệnh chuẩn MMX để tăng cường tính toán những ứng dụng 3D .
Đầu năm 2001 K6-2 tốc độ 550MHz được phát hành có tốc độ cao và là bộ vi xử lí cuối cùng cho dòng khe cắm Socket 7. Sau đó được thay thế bằng một dòng mới cho máy tính để bàn : bộ vi xử lí Duron
4. 3DNow!
Cùng một lúc với phát hành phiên bản K6-2 , vào tháng 5 năm 1998 , AMD đã lấy một phần tương tự như công nghệ Katmai của Intel mà được phát hành cho tới cuối năm sau . Vào cuối tháng 3 năm 1999 , AMD đã tích hợp công nghệ 3DNow! vào K6-2 , làm tăng hiệu quả của PC và đã bán được 14 triệu đơn vị trên toàn thế giới .
Bằng việc cải tiến bộ vi xử lí có khả năng tính toán dấu phảy động mạnh , công nghệ 3DNow! kèm theo làm tăng hiệu quả tính toán của CPU với những phép tính đồ hoạ và những chương trình Multimedia .
Quá trình xử lí đồ hoạ sử dụng Pipeline có 04 tầng bao gồm :
- Physics : CPU thực hiện những tính toán tập trung liên quan đến dấu phảy động để tạo nên những mô phỏng của thế giới thực và những vật thể bên trong nó .
- Geometry – hình học : nó là sự tính toán những thuộc tính cơ bản của mỗi điểm của vật thể trong không gian 3 chiều . Những thuộc tính bao gồm : toạ độ XYZ , giá trị màu RGB , hêk số phản chiếu ….
- Setup : CPU bắt đầu xử lí để tạo nên những hình ảnh 3D theo luật phối cảnh . Những lệnh bao gồm liên quan đến hình dáng , kích cỡ , vị trí …
- Rendering : cuối cùng , bộ phần tăng tốc đồ hoạ cung cấp hình ảnh thực để PC đưa lên màn hình ,tính toán từng pixel : màu sắc , độ sáng tối , vị trí .
Mỗi một lệnh 3DNow! điều khiển hai phép toán liên quan đến dấu phảy động và vi cấu trúc K6-2 cho phép thực hiện 02 lệnh 3DNow! trong một chu kì xung nhịp đồng hồ như vậy tổng cộng nó thực hiện được 04 lệnh liên quan đến dấu phảy động trong một chu kì xung nhịp đồng hồ .
Trong thiết kế bên trong K6-2 có những thành phần Multimedia để tính toán những lệnh MMX , cùng với 3DNow! cả hai kiểu có thể thực hiện công việc tính toán một cách liên tục .
Tất nhiên trong Card đồ hoạ đã có phần cứng để tăng tốc quá trình tính toán nhưng đối với những phép tính liên quan đến dấu phảy động còn phải tính toán rất nặng nề . Trong cấu trúc của Intel dùng Pentium II và Celeron cũng có những phép tính hỗ trợ đến phần Trangle SetUp và AMD , Cyrix , IBM còn phải đi sau .
Những lệnh 3DNow! mới cũng cần bằng một phần nào của những phép toán dấu phảy động Single Instruction Multiple Data (SIMD) để tăng hiệu quả tính toán hình học 3D và mã hoá MPEG.
Ứng dụng rộng rãi của công nghệ 3DNow! cho phép Cyrix và IDT/Centaur sử dụg trong những bộ vi xử lí của họ .
5. AMD K6-III
Tháng 2 năm 1999 , AMD thông báo bắt đầu bán ra thị trường bộ vi xử lí AMD K6-III 400MHz có tên mã sản phẩm “Sharptooth” và có mẫu sản phẩm 450MHz OEM . Một điểm nhấn trong bộ vi xử lí mới này là thiết kế “TriLevel Cache “.
Những máy tính truyền thống trước kia , CPU có 02 mức bộ nhớ Cache :
- Cache mức 1 ( Level 1) thông thường nằm bên trong Silicon của CPU .
- Cache mức 2 ( Level 2) nămg ở trên Mainboard hoặc là một Module hoặc nằm trên bảng đi liền với CPU .
Trong thiết kế bộ nhớ cache có một số quy tắc như : dung lượng lớn hơn , kích thước nhỏ hơn , tốc độ nhanh hơn để tăng hiệu quả tính toán của CPU mà không cần trực tiếp truy cập vào bộ nhớ chậm của hệ thống RAM ( tăng Cache Hit ) .
Nhận ra tầm quan trọng của bộ nhớ Cache , AMD giới thiệu “TriLevel Cache” , thiết kế để tăng hiệu quả tính toán của CPU dựa trên nền Super7 :
- Bộ nhớ cache L2 Write-back ( dữ liệu được ghi vào Cache bằng CPU mà không ghi vào bộ nhớ của hệ thống RAM ) hoạt động cùng tốc độ xung nhịp bên trong của CPU AMD K6-III và bổ sung cho bộ nhớ Cache L1 64KB mà được chuẩn hoá trong tất cả bộ vi xử lí của AMD .
- Thiết kế bộ nhớ Cache bên trong có nhiều cổng ( multiport ) , cho phép đọc , ghi 64-bit vào bộ nhớ Cache L1 và L2 một cách liên tục .
- Có 04 đường để kết hợp bộ nhớ Cache L2 cho phép tối ưu việc quản lí dữ liệu và nâng cao hiệu quả Cache Hit.
- FSB 100MHz , Mainboard Super7 có thể thiết kế bộ nhớ Cache từ 512KB mở rộng tới 2MB .
CPU AMD K6-III thiết kế Cache bên trong Multiport cho phép cả hai 64KB Cache L1 và 256KB Cache L2 thực hiện liên tục đọc , ghi 64-bit trong một chu kì đồng hồ xung nhịp . Multiport có khả năng cho phép dữ liệu xử lí nhanh hơn và hiệu quả hơn thiết kế Non-port . Nhân AMD K6-III có thể truy cập cả hai cache L1 và L2 liên tục làm cho hiệu quả hoạt động CPU nâng cao .
AMD tuyên bố với cấu hình Cache mức 3 , Level3, K6-III có kích thước Cache so với Pentium III của Intel là 435% .
AMD K6-III xuất hiện trong một thời gian ngắn , trong vài tháng sau AMD đưa ra bộ vi xử lí thành công vang dội đó là Athlon.
6. AMD Athlon
AMD Athlon được giới thiệu mùa hè năm 1997 , nó là sản phẩm tiêu biểu của AMD . Nó là niềm kiêu hãnh của AMD đối với sản phẩm đầu tiên thuộc thế hệ thứ 7 của bộ vi xử lí . Cấu trúc của nhân Athlon bao gồm những thành phần tốt nhất được kế thừa trong Pentium II/III và K6-III , ngoài ra trong nó còn có những công nghệ mạnh hơn CPU của Intel vào thời điểm đó .
Từ Athlon được xuất phát từ tiếng Hy lạp cổ có nghĩa là ” chiến lợi phẩm ” hoặc ” của trò chơi” và Athlon là bộ vi xử lí mà AMD tìm kiếm để trở thành đối thủ thật sự trong mảng thị trường yêu cầu máy tính có sức tính toán mạnh hoặc cho những người chơi Game.
Bộ vi xử lí có kích thước 102mm2 , gần 22 triệu transistor , nó có một số thành phần như sau :
- Multiple Decoder : phần giải mã (Decoder) có 03 đường để dịch những lệnh x86 thành MacroOPs có độ dài cố định để nâng cao hiệu quả xử lí lệnh . Thay thế việc thực hiện những lệnh x86 có độ dài lệnh khác nhau từ 1 byte tới 15 byte , Athlon xử lí những MacroOps có độ dài cố định .
- Instruction Control Unit (ICU) – điều khiển lệnh : những lệnh MacroOPs đã được giải mã được gửi đến Instruction Control Unit (ICU) với tốc độ 03 MacroOP một chu kì xung nhịp đồng hồ . ICU có thể tiếp nhận 72 MacroOPs , ROB (reorder buffer) quản lí việc thực hiện lệnh và những lệnh đã được thực hiện của tất cả MacroOPs thực hiện việc đổi tên thanh ghi (register renaming) cho những phép toán . ICU gửi những MacroOPs tới những Execution Unit phù hợp để tính toán .
- Execution Pipeline : Athlon bao gồm có 18 đầu vào thực hiện những MacroOPs liên quan đến những phép tính số nguyên và những địa chỉ bộ nhớ , có 36 đầu vào để thực hiện những MacroOPs liên quan đến những phép tính dấu phảy động (FPU), MMX , 3DNow!. Những Scheduler gửi những lệnh MacroOPs tới 09 Execution Pipeline ( 03 cho tính toán liên quan đến số nguyên , 03 tính toán liên quan đến địa chỉ , và 03 những phép tính liên quan đến MMX , 3DNow! và những tính toán dấu phảy động x87 ) .
- Superscalar FPU : những bộ vi xử lí trước của AMD khi tính toán về dấu phảy động so với Intel thì kém hơn . Sự yếu kém này đã được giải quyết thoả đáng bên trong Athlon , nó có đặc điểm cải tiến để thực hiển kiểu OOO ( Out Of Order ) đến những Execution Unit (FMUL, FADD, và FSTORE) . Đặc điểm Superscalar cho phép CPU có khả năng thực hiện nhiều hơn một lệnh trong một chu kì xung nhịp đồng hồ , Athlon giới thiệu công nghệ đầu tiên cho hệ thống FPU . CPU sẽ đẩy dữ liệu và những lệnh vào một đường ống ảo ( Virtual pipe ) và những đoạn trong đường ống này được xử lí công việc thực hiện liên tục , đáy của đường ống có khả năng gửi 4 dữ liệu 32-bit . Kết quả nếu một phép tính dấu phảy động cho một chu kì xung nhịp đồng hồ thì tốc đọ xung nhịp 600MHz tương đương với 2.4 Gflops ( Gflops : Gigaflops – 1 tỷ lệnh dấu phảy động / giây ) .
- Branch Prediction : CPU Athlon dự đoán những khả năng rẽ nhánh động trong chương trình phần mềm ( như những lệnh : Jump , Call , Return ) để làm giảm thời gian trễ trong những lệnh rẽ nhánh .
- System Bus : hệ thống Bus Athlon đầu tiên chạy với tốc độ xung nhịp là 200MHz cho x86 . Dựa trên giao thức của Digital có tên là Alpha EV6 với FSB có thể đạt được 400MHz hoặc cao hơn , không như kiểu Bus chia xẻ SMP (Symmetric Multi-Processing) được thiết kế bên trong Pentium III .
- Cache Architecture – cấu trúc Cache : thiết kế cấu trúc bộ nhớ cache của Athlon là một bước tiến quan trọng . Cache L1 có 128KB ( gấp 4 lần so với Pentium III ) và bộ nhớ Cache L2 tốc độ cao có đường dữ liệu 64-bit hỗ trợ 512KB tới 8MB .
- Enhanced 3DNow! – 3DNow! mở rộng : trong Pentium III của Intel có Streaming SIMD Extensions , trong Athlon những tập lệnh 3DNow! cũng được bổ sung và nâng cấp . Thêm 24 lệnh mới vào 21 lệnh gốc của 3DNow! trong đó : 19 lệnh để cải tiến liên quan đến những phép toán MMX và ứng dụng truyền dữ liệu của Internet , 05 lệnh mở rộng cho DSP (Digital Signal Processor) Modem , ADLS , Dolby Digital và ứng dụng MP3 .
Thiết kế kiểu Athlon đầu tiên sử dụng Slot A , nó tương thích với Slot 1 nhưng giao diện chân cắm khác nhau có nghĩa là Athlon không làm việc với Mainboard Slot 1 . Slot A dựa trên Bus 200MHz và giao thức Alpha EV6 . Nó được cung cấp Chipset tương ứng AMD-750 .
Đầu tiên lần lượt ra đòi Athlon với tốc độ 500,550,600 và 650MHz chúng được sản xuất dựa trên công nghệ 250nm . Cuối năm 1999 AMD tăng tốc độ CPU tới 750MHz , , K75 , có nhân là bộ vi xử lí đầu tiên sử dụg công nghệ sản xuất 180nm , 06 lớp . Nó trở thành CPU nhanh nhất trong kiểu x86 trong thời kì đó , cuối cùng Intel đáp trả bằng phát hiành phiên bản Pentium III 800MHz .
Đầu năm 2000 , AMD lấy lại vị trí dẫn đầu trong cuộc đua về tốc độ với CPU có tốc độ 800 và 850MHz trong khi Intel đang gặp trở ngại với tốc độ 1GHz .
Trên thực tế một vài bộ vi xử lí được phát hành dựa trên nhân K75 bằng việc tăng tốc độ xung nhịp đồng hồ , nhưng có một thất bại nhỏ là giảm tốc độ xung nhịp đồng hồ của bộ nhớ Cache L2 mà không bao giờ vượt qua được tốc độ 350MHz .
Cấu trúc này gặp giới hạn như thế cho đến khi ThunderBird xuất hiện
