Intel Atom e Nehalem: la nuova microarchitettura è una rivoluzione

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Non si tratta di un semplice miglioramento rispetto ai processori esistenti: gli ingegneri Intel hanno modificato sostanzialmente la microarchitettura del processore trasformandolo in un sistema di calcolo completo ed efficiente, inoltre configurabile a seconda dell’impiego e del campo di applicazione: server, desktop, notebook e tascabili. I processori Nehalem e Atom in arrivo offriranno prestazioni elevate, consumi ridotti e una architettura pronta per il futuro

Notizie e dettagli tecnici sui nuovi processori e sulle architetture Intel di prossima generazione si rincorrono da giorni in tutti i siti tecnologici della Rete, un magma di informazioni che ha avuto origine dai comunicati rilasciati da Intel in occasione dell’Intel Developer Forum tenuto a Shangai i primi giorni di aprile.

Tra i dettagli più golosi che giornalisti e lettori desiderano conoscere il numero dei core di calcolo integrati nei nuovi processori, la velocità  di funzionamento in GHz, i MB di memoria cache disponibile su tutti i livelli e così via. Si tratta di informazioni quantitative importanti e che permettono di confrontare due processori simili, questo per esempio per dedurre le prestazioni di un nuovo processore non ancora commercializzato, a partire dalle prestazioni erogate da una CPU simile, magari leggermente più lenta, in circolazione già  da alcuni mesi e testata.

Notiamo però che questo discorso risulta valido per processori simili, vale a dire che possiedono la stessa architettura interna e solo marginalmente diversi, pensiamo per esempio a un Pentium 4 che lavora a 2 GHz rispetto a un “nuovo” modello che funziona a 2,3 GHz, oppure cercando di valutare un nuovo Core 2 Duo da 2,8 GHz partendo da quello che conosciamo dei modelli a 2,4 GHz.
Nel caso dei nuovi processori Atom e Nehalem di prossima introduzione il ragionamento fin qui visto non è più applicabile. Un approfondito articolo apparso su Arstechnica esamina nei mini dettagli le caratteristiche interne delle varie sezioni dei nuovi processori Intel e soprattutto l’architettura interna del “sistema” processore.

Non è obiettivo di questo articolo entrare in ogni dettaglio tecnico di Nehalem ma semplicemente evidenziare le innovazioni più importanti all’interno della CPU. Dall’esame semplificato dell’architettura e del funzionamento interno è possibile comprendere perché i processori prossimi venturi rappresentano un’evoluzione fondamentale per Intel, infine farci un’idea più precisa dei benefici offerti dai nuovi computer e i vantaggi per noi utenti.
Innanzitutto una premessa che fa un po’ di chiarezza: nonostante la pletora di modelli e nomi diversi, caratteristiche tecniche e dettagli infinitesimali, tutti i nuovi processori in arrivo a partire da giugno condividono una struttura di partenza, una architettura “modulare” molto simile.

Così l’Atom a singolo core che troveremo all’interno di un palmare o di un dispositivo compatto non è altro che una versione semplificata e alleggerita del Nehalem integrato nei server e così via anche per le CPU che man mano saranno presentate per desktop e portatili.

La novità  più rilevante dal punto di vista dell’architettura della CPU è rappresentata dal QuickPath Interconnect, siglato QPI: questo è il nuovo nome utilizzato da Intel per indicare un sistema di collegamento estremamente efficiente e veloce precedentemente indicato come Common System Interface.
Fino a oggi i processori Intel hanno integrato uno o più nuclei di calcolo e la comunicazione con la memoria avveniva tramite un unico sistema di comunicazione denominato FSB. Con un solo processore e un solo nucleo di calcolo questa architettura era efficiente ma con la comparsa dei sistemi multicore l’FSB ha cominciato a mostrare i suoi limiti. Tutti i core integrati infatti devono contendersi il canale FSB per leggere o scrivere i dati nella memoria principale, oppure consegnare dati alla scheda grafica, accedere in lettura e scrittura con le altre periferiche.

Con la nuova architettura QPI i limiti dell’FSB vengono superati innanzitutto integrando direttamente all’interno del processore un controller per la memoria.

Questa soluzione, già  adotatta da AMD qualche anno fa, riduce drasticamente i tempi di ritardo nelle comunicazioni e aumenta sensibilmente la velocità  di comunicazione con la memoria. Entrambi i miglioramenti garantiscono al computer un sistema di comunicazione più veloce ed efficiente per tenere sempre impegnati tutti i nuclei di calcolo del processore. Per incrementare le prestazioni del sistema Intel ha fatto in modo che ogni core venga sfruttato per la maggior parte del tempo, riducendo al minimo i tempi di inoperosità .
Il canale QuickPath sfrutta collegamenti capaci di raggiungere fino a 6,4 Gigatransfer al secondo, una unità  di misura che indica il numero di trasferimento di dati raggiungibile al secondo. In termini di quantità  di dati la banda disponibile può raggiungere fino a 25 GB al secondo. Misurazioni eseguite internamente da Intel (si veda questo documento l’incremento delle prestazioni rispetto alle soluzioni attuali è nell’ordine del 300 per cento. Questo non significa che i prossimi Centrino 2 saranno il 300 per cento più veloci di quelli attuali: l’incremento percentuale si riferisce alla velocità  di comunicazione interna dei componenti fondamentali. Il sistema ne beneficia nel suo complesso.

Le incredibili prestazioni del QuickPath e la nuova architettura che QPI rende possibile dimostreranno il massimo della potenza nei sistemi dotati di più processori, come per esempio i server e le postazioni desktop più spinte. Per quanto riguarda l’intera nuova gamma di processori e architetture Intel in arrivo, Intel potrà  personalizzare il processore a seconda che questo sia destinato a un dispositivo tascabile (processore Atom) a un sistema server o desktop (Nehalem) oppure ancora a un computer portatile (Calpella).

Gli elementi su cui Intel lavorerà  per costruire i processori saranno: il numero dei core (da uno per gli Atom fino agli 8 di Nehalem, passando per i due di Calpella);
il numero dei canali per la memoria gestibili dal controller (ancora uno per gli Atom e in numero superiore per i sistemi desktop); il tipo di memoria supportata (diversa per server e sistemi consumer); il numero dei collegamenti disponibili per il QuickPath Interconnect (per aumentarne la banda complessiva); l’ammontare della memoria cache L3, le funzioni di risparmio energetico infine la presenza o meno di grafica integrata.
In conclusione è possibile prevedere miglioramenti drastici delle prestazioni per i sistemi professionali che funzionano con due o più processori.
Anche se non paragonabili ai sistemi Pro, i sistemi consumer beneficeranno di una efficienza oggi sconosciuta soprattutto per le operazioni eseguite in contemporanea che richiedono grande impiego di memoria: videogiochi, applicazioni di calcolo intensive, codifiche audio-video, virtualizzazione. La disponibilità  di più core di calcolo beneficerà  di un canale di comunicazione al passo con i tempi.

L’introduzione del QPI rappresenta un passaggio fondamentale non solo per i processori della generazione immediatamente successive a quella attuale, ma indispensabile per la continua marcia delle prestazioni, dell’aumento dei nuclei di calcolo dei prodotti Intel futuri.

Lo schema poco sopra illustra in modo semplificato gli elementi principali di Nehalem, mentre ella fotografia in basso è possibile osservare un wafer per la produzione di Nehalem (Fonte Intel).