Brez njih ni računalnika

Intel, AMD in ARM pospešeno razvijajo mikroprocesorske arhitekture. Kdo je v prednosti? Je pomembnejša nizka poraba energije, procesna zmogljivost ali grafika? Bo imela naslednja generacija procesorjev že vgrajeno umetno inteligenco?

Čeprav se zdi, da mobilniki počasi prevzemajo primat na trgu računalniških naprav za vsakdanjo rabo, za resno delo, ali igranje zahtevnejših računalniških iger, še vedno potrebujemo notes ali namizni računalnik. Kljub nekaj začetnim poskusom, da bi procesorje z arhitekturo ARM uporabili tudi v slednjih, imata Intel in AMD tu še vedno primat. Prav nasprotno je na trgu pametnih telefonov, kjer najdemo skoraj samo mikroprocesorje z arhitekturami ARM.

Boj za prevlado

Mirkoarhitekturi Coffee Lake in Ryzen sta lani spet razvneli dvoboj med Intelom in AMD. AMD se je z Ryzenom z vgrajeno zmogljivejšo grafično podporo spet uspelo postaviti ob bok Intelu, ki je moral že leta 2016 opustiti dotlej uspešen dvofazni poslovno-razvojni model, tik-tak, in ga nadomestiti z novim trifaznim modelom, ki predvideva izboljšave tehnološkega procesa izdelave mikroprocesorjev le vsako tretje leto. Po modelu proces-arhitektura-optimizacija bi moral Intel mikroarhitekturo Coffee Lake zasnovati na novi 10 nm tehnologiji, a so se raje odločili za novo arhitekturno optimizacijo, s katero so ohranili 14 nm proces izdelave procesorskih čipov še četrto leto. Letos zato upravičeno pričakujemo izboljšave tudi na tem področju. Krovno arhitekturo Skylake, ki jo v Intelu razvijajo že od leta 2015, naj bil prihodnje leto končno nadomestila Ice Lake, že letos pa naj bi po 10 nm tehnologiji začeli izdelovati procesorje z mikroarkitekturo Cannon Lake, zadnjo zasnovano na Skylake. Prva mikroarhitektura istoimenske krovne arhitekture, Ice Lake, naj bi do leta 2020 dobila naslednico, Tiger Lake.

Lani smo na osnovi Coffee Lake dobili celo paleto uspešnih mikroprocesorjev Core osme generacije, med katerimi so: Core i7-8700K s šestimi jedrimi in večnitnostjo, ki ga lahko v načinu turbo poženemo do kar 4,7 GHz, Core i5-8600K s šestimi jedri in 4-jedrni i3-8350K, namenjen nizkocenovnim računalnikom. Velja omeniti tudi, da omogočajo delovanje procesorjev pri frekvenci 4,7 GHz v načinu turbo le nekatere osnovne plošče, druge dovoljujejo največ 4,3 GHz ali manj.

Po drugi strani smo že med junijem in septembrom lani dobili prve člane nove procesorske družine za namizne in mobilne računalnike, Core i9, ki temeljijo še na mikroarhitekturi Kaby Lake Refresh (osveženi mikroarhitekturi Kaby Lake), imenovani tudi Skylake-X. Najhitrejši, Core i9-7980X z 18 jedri in večnitnostjo, deluje v načinu turbo s frekvenco do kar 4,4 GHz. Na mobilne procesorje Core i9 smo morali počakati do letošnjega aprila, ko smo dobili procesor Core i9-8950HK s šestimi jedri in večnitnostjo; vendar z najnovejšo arhitekturo, Coffee Lake, ki prinaša v ta segment računalništva največjo procesno moč pri le 2,9 GHz.

V poseben segment se od lani uvrščajo tudi hibridni procesorji Core i5 in Core i7 z mikroarhitekturo Kaby Lake in oznako G, ki v istem čipu združujejo Intelovo procesorsko silicijevo rezino in silicijevo rezino grafičnega procesorja, AMD Radeon RX Vega M GH s 24 jedri, ali nekoliko manj zmogljivo rezino, AMD Radeon RX Vega M GL z 20 jedri. Komunikacija med grafičnim procesorjem Vega in Core i5 ali Core i7 poteka prek mostnega vodila, EMIB (embedded multi-die interconnection bridge, slov. vgrajeno vodilo med silicijevimi rezinami). Poleg tega je Vega neposredno povezan še s 4 GB dinamičnim grafičnim pomnilnikom s širokimi podatkovnimi potmi druge generacije, HBM2 (angl. high-bandwidth memory 2), ki je prav tako del procesorskega čipa. Nova procesorja sicer ohranjata tudi v procesorsko rezino vgrajeni Intelov grafični procesor HD630, ki ga s pridom izkoriščata za manj zahtevna opravila, kot je predvajanje videa. Dodajmo še, da le najzmogljivejši tak procesor, Core i7-8809G, omogoča tudi navijanje.

AMD pospešuje tempo

Čeprav je AMD šele lani prešel na 14 nm proizvodni proces in tako dohitel Intel, že letos načrtuje tehnološke posodobitve svoje krovne mikroprocesorske arhitekture Zen. Do konca leta naj bi dobili procesorje na osnovi 12 nm mikroarhitekture Zen+, prihodnje leto procesorje s 7 nm mikroarhitekturo Zen 2, do konca leta 2020 pa še procesorje s prav tako 7 nm mikroarhitekturo Zen 3. Ločeno razvijajo tudi arhitekture za grafične procesorje, ki jih vgrajujejo v procesorje ali v samostojne grafične kartice. Grafični procesor Vega, ki ga danes izdelujejo s 14 nm tehnologijo, naj bi že prihodnje leto izdelovali po 7 nm proizvodnem procesu. Sledil naj bi grafični procesor Navi, temu pa Next-gen. Oba naj bil izdelovali v 7 nm tehnologiji.

Vrnimo se v sedanjost! AMD je lani predstavil široko paleto procesorjev na osnovi mikroarhitekture Zen, med katerimi so: Ryzen, Threadripper, Ryzen Pro, EPYC in Ryzen Mobile. Letošnja novinca, Ryzen 5-2400G in Ryzen 3-2200G, sta odgovor na Intelova Core i5-8600K in Core i3-8350K in naj bi bila precej hitrejša od tekmecev, hkrati pa se ponašata tudi z vgrajenima zmogljivima grafičnima procesorjema, ki prekašata številne grafične kartice nižjega cenovnega razreda. Prednost procesorjev AMD je izdelava grafičnega procesorja na isti silicijevi rezini kot procesorsko jedro, Intel pa lahko v svojih čipih uporabi zgolj dodatno silicijevo rezino z že izdelanim grafičnim procesorjem AMD. Zato ne preseneča, da se Intel od lani trudi sodelovati z AMD pri razvoju grafičnih procesorjev in je v svoje vrste zvabil celo njihovega glavnega arhitekta za grafične procesorje.

Poraba energije

Nizka poraba energije je ključna za izdelavo ultra tankih notesov, v katere vgrajujejo procesorje z izgubno močjo do 15 W. Zajetnejši prenosniki z ventilatorskim hlajenjem si lahko »privoščijo« procesorje z izgubno močjo do 45 W. Večje izgubne moči zahtevajo veliko več hlajenja, zato take procesorje vgrajujejo v namizne računalnike in strežnike. Denimo, zadnja generacija Intelovih procesorjev, Core i9 za namizne računalnika, ima tako do 165 W izgubne moči, mobilni procesor Core i9-8950HK pa le 45 W.

Prihodnje generacije procesorjev, izdelane po 10 nm in 7 nm tehnologijah, bodo pri enaki zmogljivosti proizvedle bistveno manj izgubne moči. A Intel in AMD se bosta gotovo odločila za bistveno povečanje zmogljivosti, zato se izgubna moč novih modelov procesorjev, razen tiskih za ultralahke notese in pametne telefone, v povprečju ne bo zmanjšala.

Letos lahko na osnovi 12 nm Zen+ pričakujemo še drugo generacijo procesorjev Ryzen, Threadripper in Ryzen Pro, namenjenih namiznim računalnikom, visoko zmogljivim računalnikom in poslovnim aplikacijam. Kaže, da bodo pri AMD s procesorji druge generacije za mobilne računalnike, tipov EYPIC in Ryzen Mobile, počakali na že pripravljeno 7 nm arhitekturo Zen 2, ki je hkrati glavni adut AMD. Zen 2 prinaša številne novosti, kot so: povečanje predpomnilnikov, večja vzporednost pri dekodiranju strojnih ukazov, posodobitev nabora strojnih ukazov in manjša poraba energije. Nekateri ugibajo, da bi AMD utegnil prve procesorje z Zen 2 ponuditi že letos, vendar je to zaradi zahtevnosti novega tehnološkega procesa z dvakrat večjo natančnostjo malo verjetno.

Tretji igralec

Angleški ARM pripisuje vse večji poudarek razširljivim 64-bitnim procesorskim arhitekturam. Tako smo lani dobili dizajna procesorskih jeder Cortex-A55 in Cortex-A75, ki temeljita na mikroarhitekturi ARMv8.2-A. Procesorji, ki jih po njih izdelujejo kupci procesorskih dizajnov ARM, lahko vsebujejo eno ali več procesorskih jeder, odvisno od potrebne zmogljivosti. V mobilnih telefonih so večinoma eno- ali dvojedrni procesorji z 32-bitnimi arhitekturami.

A na osnovi 32-bitnih in 64-bitnih mikroprocesorjev z mikroarhitekturami ARM že nastajajo tudi visoko zmogljivi strežniki z operacijskimi sistemi Linux in Android in ultralahki prenosni računalniki z izjemno majhno porabo energije, zato je posebno različico Windows 10 za procesorje ARM lani pripravil tudi Microsoft. Po drugi strani je Cavium lahni predstavil že drugo generacijo svojih 48-jedrnih procesorjev z arhitekturo ARM, ThunderX2, za visoko zmogljive aplikacije. Na proizvodnjo lastnih 48-jedrnih strežniških procesorjev z arhitekturo ARM se je začel pripravljati tudi Qualcomm.

Vgrajena umetna inteligenca

13. februarja letos je ARM v Cabridgeu predstavil tudi projekt razvoja arhitekture inteligentnega procesorja, Trillium. Izpostavili so podporo umetnim nevronskim mrežam in različnim metodam za strojno učenje, ki bodo omogočile prepoznavanje predmetov, človeških obrazov, prstnih odtisov, govora in drugih kompleksnih opravil. Obenem so poudarili nizko porabo energije, razširljivost in prilagodljivost nove arhitekture. Zaenkrat naj bi veliki izdelovalci pametnih mobilnih telefonov, kot sta Apple in Huawei, umetno-inteligenčne procesorje vgrajevali le v prihajajoče izdelke višjega cenovnega razreda; kljub temu lahko novo tehnologijo že v nekaj letih pričakujemo tudi v večini cenejših mobilnih naprav.

Na proizvodnjo specializiranih umetno-inteligenčnih procesorjev Nervana, ki naj bi jih vgrajevali v podatkovne centre, se od nakupa podjetja Nervana Systems leta 2016 pripravlja tudi Intel. Po drugi strani pri pohitritvi umetno-inteligenčnih aplikacij za namizne računalnike vodijo grafični procesorji z arhitekturami Nvidia in ARM.

Kdo bo zmagovalec?

Podobno kot je naraščajoča množična proizvodnja osebnih računalnikov z Intelovimi procesorji pred tridesetimi leti vplivala na nadaljnji razvoj računalniških strežnikov, v katerih danes prevladujejo Intelovi Xeoni, kaže, da se bo ob vse hitrejšem razvoju pametnih mobilnih naprav s procesorskimi mikroarhitekturami tehtnica ARM razvoja že v naslednjih deseti letih nagnila v prid novi mikroarhitekturi tudi pri drugih računalnikih in računalniških sistemih. Čeprav Microsoftova odločitev o pripravi posebne različice Windows 10 za procesorje z arhitekturami ARM ne preseneča, bo treba na novo procesorsko osnovo migrirati tudi aplikacije. Prav tu se utegne zatakniti, saj bo večina domačih uporabnikov verjetno raje ostala zvesta Googlovemu Androidu, strežniki pa bodo prav tako dobro tekli pod številnimi že prilagojenimi različicami Linuxa.