جزئیات دقیق معماری پردازنده‌های خانواده تایگر لیک اینتل در Hot Chips 2020 اعلام شد

پردازنده‌های مرکزی نسل بعد اینتل که با نام خانواده‌ی تایگر لیک (Intel Tiger Lake) شناخته می‌شوند، مدت‌ها است در شایعه‌ها حضور دارند و جزئیات غیررسمی متعددی را درباره‌ی آن‌ها شنیده‌ایم. بااین‌حال اینتل از هفته‌ی گذشته و با برگزاری مراسم Architecture Day 2020 روند انتشار اطلاعات رسمی مربوط به خانواده‌ی تایگر لیک را آغاز کرد. اینتل امروزه به‌دلیل تأخیر در تولید لیتوگرافی هفت نانومتری با فشار زیادی دست‌و‌پنجه نرم می‌کند و قصد دارد ازطریق محصولاتی جدید همچون خانواده‌ی تایگر لیک، فشار را از روی خود بردارد.

اینتل امروز رویداد ویژه‌ای تحت عنوان هات چیپس ۲۰۲۰ (Hot Chips 2020) برگزار کرد تا جزئیاتی جدید درباره‌ی برخی محصولات خود ارائه دهد. در بخشی از مراسم هات چیپس اینتل تصمیم گرفت شماری از ویژگی‌های دای (Die) پردازنده‌های خانواده‌ی تایگر لیک را تشریح کند. از همان زمانی‌که نخستین زمزمه‌ها درباره‌ی تایگر لیک منتشر شد، بسیاری از رسانه‌ها گفتند در این خانواده از تراشه‌ها شاهد حلقه‌های بهبودیافته برای رابط باس خواهیم بود. طراحی جدید بخش حلقه‌های باس، اهمیت ویژه‌ای برای اینتل دارد. پردازنده‌های موبایلی (مخصوص دستگاه‌های قابل‌حمل) سری Ryzen 4000 Renoir شرکت AMD نه‌تنها قدرت پردازشی زیادی دارند بلکه انرژی کمی مصرف می‌کنند. اینتل ازطریق پردازنده‌های جدیدش در پی تولید محصولاتی است که در زمینه‌ی قدرت پردازشی و مصرف انرژی عملکرد بهتری درمقایسه‌با خانواده‌ی رایزن ۴۰۰۰ رنویر داشته باشند.

اینتل چند روز پیش به‌صورت رسمی از لیتوگرافی ۱۰ نانومتری سوپرفین (SuperFin) پرده‌برداری کرد که طبق ادعای شرکت، نسخه‌ی بهبودیافته‌ی فین‌فت (FinFET) به‌حساب می‌آید؛ سوپرفین به‌حدی بهبودیافته است که حس می‌کنید با یک لیتوگرافی کاملا جدید طرف هستید. پردازنده‌های مرکزی خانواده‌ی تایگر لیگ اینتل قرار است بر پایه‌ی لیتوگرافی ۱۰ نانومتری سوپرفین به‌مرحله‌ی تولید برسند. اینتل روی ترانزیستورهای بهبودیافته‌ی سوپرفین مانور ویژه‌ای داده است و بارها از مزیت‌های آن‌ها سخن گفته.

اینتل می‌گوید بهبودهایی که سوپرفین به‌همراه می‌آورد باعث می‌شود توجه کاربر به مباحثی فراتر از تعداد ترانزیستور معطوف شود. ترانزیستورهای ۱۰ نانومتری سوپرفین در نقش نسل بعد ترانزیستورهای ۱۰ نانومتری فعلی ظاهر خواهند شد. معمولا صرفا هنگام رفتن از یک لیتوگرافی به لیتوگرافی کاملا جدید، شاهد بهبود در قدرت پردازشی ارائه‌شده‌ی ترانزیستورها هستیم، اما این اتفاق برای سوپرفین هم رخ داده است. نکته‌ی مهمی که اینتل اعلام کرده این است که ترانزیستورهای سوپرفین در برخی سناریوها، بین ۱۵ تا ۲۰ درصد قدرت پردازشی بیشتر ارائه می‌دهند حال آنکه ولتاژ یا سرعت کلاک آن‌ها درمقایسه‌با قبل تغییری نکرده باشد. به‌علاوه این ترانزیستورها می‌توانند به حداکثر سرعت کلاک بسیار بیشتری دست پیدا کنند. آن‌طور که گزارش‌های رسمی اعلام می‌کنند، به‌لطف ترانزیستورهای سوپرفین پردازنده‌های موبایلی توانایی دستیابی به فرکانس پنج گیگاهرتز را هم خواهند داشت (جزئیات بیشتر درباره‌ی سوپرفین را در این مقاله‌ی زومیت بخوانید). 

اینتل در تراشه‌های خانواده‌ی تایگر لیک، ترانزیستورهای ۱۰ نانومتری سوپرفین را درکنار هسته‌های جدید Willow Cove قرار می‌دهد؛ این هسته‌ها ظرفیت کش (Cache) بیشتری دارند و به‌طور ویژه برای دستیابی به سرعت کلاک بالا بهینه‌سازی شده‌اند. به‌علاوه اینتل در تراشه‌های تایگر لیک از پردازنده‌ گرافیکی مجتمع  Xe LP استفاده می‌کند که طبق ادعای تیم آبی، می‌توانند به‌میزان حداکثر دو برابر قدرت بیشتری درمقایسه‌با پردازنده‌های مجتمع نسل فعلی ارائه دهند.

اینتل Xe LP از ۱۶ مگابایت حافظه‌ی کش سطح سوم (L3 Cache) بهره‌ می‌برد. این پردازنده‌ی گرافیکی قرار است مجهز به ۹۶ واحد اجرایی باشد و سرعت کلاک بیشتری درمقایسه‌با سری Iris ارائه دهد. نسل بعد تراشه‌های اینتل همچنین از حافظه‌ی LPPDR5-5400 درکنار PCIe 4.0 پشتیبانی می‌کند. اینتل می‌گوید میزان بهبودهای تایگر لیک درمقایسه‌با نسل فعلی به‌حدی زیاد است که انگار وارد چند نسل بعد شده‌اید و این بهبودها، بیشتر از یک نسل تغییر هستند.

^{برای مشاهده‌ی تصویر بالا در ابعاد اصلی روی آن کلیک کنید}

اینتل جزئیات دیگری را هم درباره‌ی خانواده‌ی تایگر لیک دردسترس رسانه‌ها قرار داده است. در بالای این پاراگراف تصویر یک دای را مشاهده می‌کنید که اینتل رسما در رویداد هات چیپس ۲۰۲۰ به‌نمایش گذاشته است. اینتل هنوز دقیقا اجزای مختلف روی دای را مشخص نکرده و تصویری کلی دردسترس قرار داده است. بااین‌حال منطقه‌ی آبی‌رنگ بزرگ در بخش راست سمت پایین تصویر، احتمالا واحد پردازش گرافیکی Xe LP را نشان می‌دهد؛ ظاهرا پردازنده‌ی گرافیکی Xe LP قرار است به‌طور کلی در حدود ۳۳ درصد از سطح دای تایگر لیک را به‌خود اختصاص دهد. همان‌طور که اشاره کردیم، اینتل از دوبرابر شدن قدرت پردازشی پردازنده‌ی گرافیکی Xe LP درمقایسه‌با خانواده‌ی Iris خبر می‌دهد؛ اختصاص‌دادن این سطح از دای تایگر لیک به پردازنده‌ی گرافیکی، می‌تواند به اینتل برای حقیقی کردن این ادعا کمک شایانی بکند.

^{برای مشاهده‌ی تصویر بالا در ابعاد اصلی روی آن کلیک کنید}

در بالای این پاراگراف تصویری «غیررسمی» را مشاهده می‌کنید که  یکی از کاربران توییتر با نام Locuza منتشر کرده است و بخش‌های مختلف دای را توصیف می‌کند. این فرد می‌گوید در حوزه‌ی رمزگشایی از تصاویر پیچیده‌ی دای و مشخص کردن اجزاء مختلف ریزمعماری‌های پردازنده‌ها تخصص دارد. با اینکه تصویر بالا بسیار دقیق به‌نظر می‌رسد؛ چون اینتل رسما منتشر نکرده است، درصدی از خطا را نیز برای آن در نظر داشته باشید. البته تصویر بالا به‌خوبی با انتظاراتمان از تایگر لیک همخوانی دارد و به‌نظر می‌رسد با دقت بسیار زیاد طراحی شده است.

در قسمت سمت چپ مرکز دای تایگر لیک شاهد چهار کلاستر بزرگ نارنجی‌رنگ هستیم که ظاهرا ساختار حافظه‌های کش سطح اول (L1)، سطح دوم (L2) و سطح سوم (L3) را تشکیل می‌دهند. دیگر هسته‌های پردازشی تراشه در قسمت‌های بالا و پایین آن جای دارند. اگر بیشتر به سمت چپ بروید، بخش سیستم ایجنت را به‌همراه رابط‌های ورودی و خروجی می‌بینیم. واحد ایجنتِ حلقه (Ring Agent) در بخش مرکزی تصویر دیده می‌شود و به‌عنوان رابطی برای اتصال پردازنده‌ی گرافیکی مجتمع، کش‌ها و هسته‌ها و درنهایت بلوک‌های ورودی و خروجی سیستم ظاهر می‌شود.

اینتل با تولید پردازنده‌های اولیه‌ی خانواده‌ی آیس لیک قطعه‌ی مربوط به تاندربولت ۴ را تا حد زیادی به روی دای منتقل کرد و ظاهرا این روند برای نسل جدید هم تکرار می‌شود؛ بخش مربوط به تاندربولت ۴ در دای تایکر لیک در بخش بالای سمت راست تصویر بالا به‌چشم می‌خورد.

^{برای مشاهده‌ی تصویر بالا در ابعاد اصلی روی آن کلیک کنید}

تصویر بالای این پاراگراف، نمودار پرجزئیات‌تری را از تراشه‌ی اینتل نشان می‌دهد که پیش‌تر خود این شرکت رسما منتشر کرده است. یادآوری این نکته ضروری است که این نمودارها تقریبا هرگز دقیقا در محصول نهایی اعمال نمی‌شوند و قطعات مختلف دای ممکن است درنهایت جایگاه متفاوتی درمقایسه‌با آنچه در نمودار بالا اعلام شده، داشته باشند. اینتل می‌گوید نمودار بالا پردازنده‌های چهار هسته‌ای را نشان می‌دهد. اینتل حرف‌هایی زده که می‌توان به‌طور غیرمستقیم از آن‌ها برداشت کرد تیم آبی قصد دارد پردازنده‌هایی با تعداد هسته‌ی بیشتر را هم در آینده دردسترس قرار دهد. اینتل می‌گوید هنگام رونمایی رسمی تراشه‌های تایگر لیک، جزئیات بیشتری درباره‌ی تعداد هسته‌های آن‌ها با رسانه‌ها در میان خواهد گذاشت.

اینتل به حافظه‌ی کش سطح دوم افزایش یافته‌ی خود MLC و به حافظه‌ی کش سطح سوم افزایش‌یافته LLC می‌گوید. براساس اطلاعات رسمی در خانواده‌ی تایگر لیک قرار است به‌ترتیب شاهد ۱٫۲۵ مگابایت و ۱۲ مگابایت حافظه‌ی کش MLC و LLC باشیم. اینتل پیش‌تر از رویکرد مشابهی برای حافظه‌ی کش پردازنده‌های خانواده‌ی اسکای‌لیک استفاده کرده است، اما تفاوت‌هایی در بین آن‌ها دیده می‌شود. اینتل این بار ظرفیت حافظه‌ی کش L2 را افزایش داده است که ازلحاظ تئوری باعث ذخیره‌سازی پنج مگابایت داده‌ی کپی‌شده در حافظه‌ی L3 می‌شد؛ اما تغییراتی که اینتل در نحوه‌ی ساخت تراشه ایجاد کرده باعث می‌شود نیازی به کپی کردن داده‌های L2 در L3 وجود نداشته باشد. این موضوع درنهایت باعث می‌شود میزان حافظه‌ی دردسترس برای وظایف کاری سنگین ازطریق حافظه‌ی به‌اشتراک‌گذاری‌شده‌ی L3 افزایش پیدا کند. 

اینتل می‌گوید نخستین مدل‌های تایگر لیک از حافظه‌ی LPPDRx-4267 پشتیبانی می‌کند. موتور گرافیکی Xe LP به پهنای باند بیشتری درمقایسه‌با Iris نیازمند است؛ تراشه‌ی تایگر لیک به‌لطف داشتن توان عملیاتی بیشتر می‌تواند منابع موردنیاز را دراختیار پردازنده‌ی گرافیکی مجتمع Xe LP قرار دهد. اینتل اینتل مقدمات لازم را برای پشتیبانی از حافظه‌ی DDR5 هم فراهم کرده؛ گرچه این پشتیبانی هنوز به‌صورت رسمی فعال نشده اما تلاش اینتل در این راستا تحسین‌برانگیز است. اینتل به‌دنبال انتقادات اخیر گفته بود تغییراتی اساسی در رویکرد خود ایجاد می‌کند و قطعا پشتیبانی از DDR5 یکی از قدم‌های مهم در همین راستا به‌حساب می‌آید.

نکته‌ی مهم دیگری که باید به آن اشاره کنیم، مشخصه‌ی PCIe 4.0 است. AMD ازلحاظ آغاز استفاده از PCIe 4.0 توانست نه‌تنها در بازار دسکتاپ بلکه در بازار پردازنده‌های سرور، اینتل را جا بگذارد. پشتیبانی پردازنده‌های جدید AMD از PCIe 4.0 نشان داد پردازنده‌های ساخت اینتل ضعف بسیار بزرگی دارند و این موضوع آثار منفی روی فروش پردازنده‌های تیم آبی گذاشت. AMD برای پردازنده‌های دسکتاپ و سرور خود تصمیم گرفته است سراغ PCIe 4.0 برود، اما تراشه‌های موبایلی رایزن ۴۰۰۰ رنویر برخلاف انتظارات از PCIe 3.0 استفاده می‌کنند. این قضیه باعث می‌شود تایگر لیک اینتل نخستین پردازنده‌ی موبایلی با پشتیبانی از PCIe 4.0 لقب گیرد؛ اینتل در اسلایدهای خود نیز به این موضوع اشاره کرده است. نکته‌ا‌ی که باید در نظر داشته باشید این است که PCIe 4.0 درمقایسه‌با PCIe 3.0 به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارد، بااین‌حال اینتل رویکردی هوشمندانه در پیش گرفته است تا میزان مصرف کل انرژی تراشه‌ی خود را کاهش دهد.

اینتل در تراشه‌های خانواده‌ی تایگر لیک سراغ ریزمعماری حلقه‌ی دوگانه (Dual Ring) برای باس رفته است. اگر به‌طور جدی اخبار اینتل را پیگیری کرده باشید، عبارت حلقه‌ی دوگانه ممکن است برای‌تان آشنا به‌نظر برسد. ریزمعماری حلقه‌ی دوگانه‌ی تایگر لیک با باس‌های قدیمی دو حلقه‌ای مدل‌هایی از تراشه‌های خانواده‌ی Skylake-X که تعداد هسته‌ی زیادی داشتند، متفاوت است. در طراحی جدید اینتل، هر کدام از پایانه‌‌ها در خدمت هر دو حلقه‌ی دوجهته هستند، بدین معنی که ریزمعماری حلقه‌ی دوگانه‌ی باس هسته‌های Willow Cove عملا شامل دو باس حلقه است که درون یکدیگر پیچیده شده‌اند. این رویکرد در ساخت، نهایتا پهنای باند تراشه را افزایش می‌دهد که معمولا دو برابر پهنای باند حافظه است (در اینجا: ۱۷۲ گیگابایت‌بر‌ثانیه). 

افزایش توان عملیاتی در بین المان‌های مختلف پردازنده نظیر هسته‌ها و رابط‌های ورودی و خروجی باعث بالا رفتن قدرت پردازشی ارائه‌شده ازسوی پردازنده می‌شود، اما نکته‌ی منفی ماجرا را نیز نباید فراموش کنیم: بالا رفتن بیش از حد مصرف انرژی. اینتل در جریان برگزاری مراسم هات چیپس ۲۰۲۰ به چندین تکنیک اشاره کرد که این شرکت برای پایین آوردن مصرف انرژی تراشه به‌کار بسته است. تیم آبی به‌لطف این تکنیک‌ها می‌تواند بالا رفتن مصرف انرژی درنتیجه‌ی افزایش توان خروجی بین المان‌های مختلف تراشه را تا حد زیادی کنترل کند. بدین ترتیب اینتل ضمن جلوگیری از افزایش بیش از حد مصرف انرژی، دستیابی به قدرت پردازشی بیشتر را تضمین می‌کند.

اینتل نوعی سیستم ویژه در تراشه جای داده که به آن کمک می‌کند فعالیت برخی المان‌ها را روی سرعت کلاک پایین‌تر تنظیم کند؛ این سیستم حتی تراشه را قادر می‌سازد برخی از المان‌ها را که در آن لحظه به آن‌ها نیازی حس نمی‌شود، به‌طور کلی خاموش کند. اینتل هسته‌های اجرایی، پردازنده‌ی گرافیکی مجتمع و رابط‌های حافظه را تقسیم‌بندی کرده است تا هر یک به‌شکلی متفاوت انرژی مصرف کنند. این رویکرد در طراحی، المان‌های مختلف تراشه را قادر می‌سازد براساس نوع وظیفه‌ی کاری، با قدرت متفاوتی فعالیت کنند. این نوع فعالیت‌ها به‌طور مستقیم ازطریق سخت‌افزار مدیریت می‌شوند و این یعنی تأخیری که ممکن است درنتیجه‌ی فعالیت سیسم‌عامل ایجاد شود، از بین می‌رود. AMD تأخیر ارائه‌شده در پردازنده‌هایش را ۲۵ میلی‌ثانیه اعلام می‌کند، اما اینتل هنوز جزئیات دقیق را دردسترس قرار نداده است. 

قابلیت‌هایی که جزئیات‌شان را با شما در میان گذاشتیم، پردازنده‌های تایگر لیک را قادر می‌سازند به‌صورت پویا، انرژی را در بین قطعات مختلف منتقل کنند و قدرت بیشتر را دراختیار قطعاتی قرار دهند که بیشترین نیاز را به انرژی دارند. این رویکرد درنهایت به افزایش قدرت کلی پردازنده منتهی می‌شود. برای مثال شرایطی را فرض کنید که پردازنده‌ی مرکزی تراشه قرار است تحت فشار زیاد قرار گیرد. تایگر لیک در این شرایط پهنای باند و انرژی موردنیاز یکی از قطعه‌ها را کاهش می‌دهد تا انرژی بیشتری دردسترس هسته‌های CPU قرار بگیرد و درنهایت قدرت پردازشی بیشتری ارائه شود. اینتل می‌گوید این رویکرد در طراحی، شرکت را قادر ساخته پردازنده‌های تایگر لیک را ازلحاظ قدرت پردازشی و مصرف انرژی بهبود بخشد.

اینتل پیش‌تر گفته بود پردازنده‌های تایگر لیک قرار است ازلحاظ امنیتی پیشرفته‌تر از نسل فعلی باشند. هسته‌های Willow Cove تایگر لیک از قابلیت جدید Control-Flow Enforcement Technology برخوردار هستند. Control-Flow Enforcement Technology درمجموع شامل دو مکانیسم مجزا است که از پردازنده دربرابر حملات سایبری انجام‌شده ازطریق برنامه‌نویسی بازگشت‌گرا محافظت می‌کنند. تیم آبی گفته است خانواده‌ی تایگر لیک نیز شامل پردازنده‌هایی با توان طراحی حرارتی بین ۱۰ تا ۶۵ وات خواهد بود. افزون‌براین، اینتل پردازنده‌های ۶ و هشت هسته‌ای تایگر لیک را وارد لپ‌تاپ‌های بسیار باریک خواهد کرد.