Athlon

AMD Athlon

Файл:Amd athlon logo.svg

Логотип

AMD Athlon (['æθlən], «Атло́н» в русской разговорной речи) — микропроцессор архитектуры x86, анонсированный 23 июня 1999 года в качестве конкурента процессорам Intel Pentium III и нацеленный на рынок высокопроизводительных компьютеров.

Ядро процессора Athlon (до анонса процессор носил кодовое наименование K7) принципиально отличается от ядер предыдущих процессоров компании AMD. Множество нововведений позволило значительно поднять производительность процессора Athlon по сравнению с предыдущими процессорами AMD, в результате чего на момент анонса процессор Athlon являлся самым производительным процессором архитектуры x86, превосходя своего основного конкурента — Intel Pentium III.

Общая информация

AMD Athlon 700 (Pluto)

Процессоры AMD Athlon для настольных компьютеров выпускались в двух вариантах корпусов: SECC (все модификации) и FCPGA (Thunderbird).

Процессор Athlon в корпусе SECC представляет собой полностью закрытый картридж, содержащий процессорную плату с установленным на ней ядром процессора (во всех модификациях), а также микросхемами кэш-памяти BSRAM (во всех модификациях, кроме процессоров на ядре Thunderbird). Процессор предназначен для установки в 242-контактный щелевой разъём Slot A. В процессорах, основанных на ядрах Argon, Pluto и Orion, кэш-память второго уровня работает на частоте от трети до половины частоты ядра, а в процессорах на ядре Thunderbird — на частоте ядра.

На процессорной плате также находится ножевой 40-контактный технологический разъём, закрытый картриджем. Разъём содержит контакты, отвечающие за установку напряжения питания и тактовой частоты. С помощью специального устройства, подключаемого к процессору, возможно изменение этих параметров.

Картридж состоит из двух частей: металлической теплоотводной пластины, контактирующей с кристаллом процессора и микросхемами кэш-памяти (в случае с процессорами, имеющими внешний кэш), а также пластикового кожуха, закрывающего процессорную плату и защищающего установленные на ней элементы от повреждений. Маркировка находится на верхней грани картриджа.

AMD Athlon 1100 (Thunderbird)

Процессоры Athlon в корпусе типа FCPGA предназначены для установки в системные платы с 462-контактным гнездовым разъёмом Socket A и представляют собой подложку из керамического материала с установленным на ней открытым кристаллом на лицевой стороне и контактами на обратной (453 контакта). Существовали также процессоры с органической подложкой, выпущенные ограниченной партией. На стороне ядра расположены SMD-элементы, а также контакты, задающие напряжение питания и тактовую частоту (обычно называемые мостиками). Контакты располагаются группами, которые имеют обозначения L1 — L7. Маркировка нанесена на кристалл процессора.

Изначально кристалл не был защищён от сколов, происходивших в результате перекоса радиатора при его установке, однако вскоре появилась защита от перекосов в виде четырёх круглых прокладок, расположенных в углах подложки. Несмотря на наличие прокладок, при неаккуратной установке радиатора (особенно неопытными пользователями) кристалл всё же получал трещины и сколы (процессоры с такими повреждениями обычно назывались «ко́лотыми»). В редких случаях процессор, получивший существенные повреждения кристалла (сколы до 2 — 3 мм с угла), продолжал работать без сбоев или с редкими сбоями, в то же время, процессор с незначительными сколами мог полностью выйти из строя. Простейший способ проверки процессора на наличие сколов кристалла заключался в проведении по граням кристалла ногтем. В случае наличия сколов палец явно ощущал шероховатость. При наличии лупы или микроскопа сколы определялись визуально.

Модели

На выставке Comdex Fall, проходившей осенью 1997 года в Лас-Вегасе (США), компанией AMD было объявлено о разработке принципиально нового процессора под кодовым названием K7, который должен придти на смену процессорам серии K6. В октябре 1998 года были выпущены первые инженерные образцы нового процессора.

Первые процессоры Athlon (ядро Argon) предназначались для настольных компьютеров и производились по 250 нм техпроцессу. На смену ядру Argon пришло 180 нм ядро Pluto. Модель, работавшая на частоте 1 ГГц, получила наименование Orion. Следующим ядром, использованным в процессорах семейства Athlon стало 180 нм ядро Thunderbird, получившее интегрированный кэш второго уровня. Дальнейшим развитием семейства десктопных процессоров Athlon стали процессоры Athlon XP, вышедшие в октябре 2001 года.

Процессоры Athlon на ядре Argon

Тактовая частота, МГц	500	550	600	650	700
Частота FSB, МГц	200
Анонсирован	23 июня 1999 года			9 августа 1999 года	4 октября 1999 года

Процессоры Athlon на ядрах Pluto и Orion

Тактовая частота, МГц	550	600	650	700	750	800	850	900	950	1000
Частота FSB, МГц	200
Анонсирован	29 ноября 1999 года					6 января 2000 года	11 февраля 2000 года	6 марта 2000 года

Процессоры Athlon на ядре Thunderbird

Тактовая частота, МГц	750	800	850	900	950	1000	1100	1200	1000	1133	1200	1333	1300	1400	1400
Частота FSB, МГц	200								266				200		266
Анонсирован	5 июня 2000 года						28 августа 2000 года	17 октября 2000 года	30 октября 2000 года			22 марта 2001 года		6 июня 2001 года

Argon (Model 1)

AMD Athlon 550 МГц

Первое ядро, использованное в процессорах Athlon, имеет принципиально новую архитектуру по сравнению с предыдущими процессорами компании AMD. Ключевыми особенностями процессоров архитектуры К7 являются:

• Новый блок целочисленных вычислений (ALU), содержащий три конвейера глубиной 10 стадий. Это позволяет процессору выполнять до трёх инструкций за такт.
• Новый блок вещественночисленных вычислений (FPU), содержащий три конвейера глубиной 15 стадий. В предыдущих процессорах компании AMD блок FPU не был конвейерным и не мог начать выполнять новую команду, пока не закончится выполнение предыдущей, что приводило к сильному падению производительности.
• Системная шина EV6, лицензированная у компании DEC, обеспечивающая передачу данных по обоим фронтам тактового сигнала. Это позволило при физической частоте 100 МГц получить эффективную частоту 200 МГц, что соответствует пропускной способности 1,6 Гб/с. Кроме того, шина EV6 использует протокол точка-точка, что позволяет организовать более эффективную многопроцессорную систему.
• Кэш-память первого уровня объёмом 128 Кб (64 Кб кэш инструкций и 64 Кб кэш данных).
• Расширенный набор инструкций Extended 3DNow!.

Кэш второго уровня объёмом 512 Кб работает на половине частоты ядра и выполнен в виде двух микросхем BSRAM (обычно использовались микросхемы производства Toshiba или NEC), расположенных по обе стороны кристалла процессора.

Для упрощения производства системных плат щелевой разъём Slot A был сделан механически совместимым с популярным разъёмом процессоров Intel — Slot 1, что позволяло производителям использовать один и тот же разъём на системных платах для процессоров Pentium III и Athlon. Электрически разъёмы Slot A и Slot 1 несовместимы. Различна также нумерация выводов разъёма.

Процессоры Athlon на ядре Argon содержали 22 млн. транзисторов и выпускались по 250 нм техпроцессу, площадь кристалла составляла 184 мм². Напряжение питания — 1,6 В, максимальное тепловыделение — 50 Вт (на частоте 700 МГц).

Pluto и Orion (Model 2)

AMD Athlon (K75)

Ядро Pluto, также известное как K75, представляет собой ядро Argon (K7), выполненное по 180 нм техпроцессу. Применение нового техпроцесса позволило поднять тактовую частоту процессоров Athlon до 1 ГГц. Ядро процессора Athlon, работающего на частоте 1 ГГц, получило собственное наименование — Orion.

Кэш память второго уровня по-прежнему работала на неполной частоте ядра, однако, в связи с ростом частоты ядра и невозможностью работы микросхем BSRAM на частотах выше 350 МГц, были введены новые делители частоты кэш-памяти — 2/5 и 1/3. Таким образом, для различных моделей частота работы микросхем кэш-памяти составляла: для моделей до 700 МГц — 1/2 частоты ядра (275 — 350 МГц), для моделей от 900 МГц — 1/3 частоты ядра (300 — 333 МГц), для остальных — 2/5 частоты ядра (300 — 340 МГц).

По причине того, что частота работы кэша второго уровня в процессорах Athlon на ядре K75 максимальна у модели 700 МГц, дальнейшее увеличение тактовой частоты ядра не приводило к соответствующему росту производительности из-за меньшей частоты работы кэша.

Ядро K75, как и ядро Argon, содержит 22 млн. транзисторов, однако, за счёт нового техпроцесса, площадь ядра сократилась до 102 мм². Напряжение питания — от 1,6 до 1,8 В, максимальное тепловыделение — 65 Вт (на частоте 1000 МГц).

Thunderbird (Model 4)

AMD Athlon 850 МГц (Thunderbird)

Ядро Thunderbird представляет собой ядро K75 с интегрированным кэшем второго уровня объёмом 256 Кб, работающим на частоте ядра. В отличие от предшествующих процессоров, имеющих кэш-память с инклюзивной архитектурой, кэш-память процессоров на ядре Thunderbird имеет эксклюзивную архитектуру. При такой организации кэш-памяти данные, находящиеся в кэш-памяти первого уровня, не дублируются в кэш-памяти второго уровня. Это позволило получить в процессорах на ядре Thunderbird кэш с эффективным объёмом 384 Кб (128 Кб кэша первого уровня и 256 Кб кэша второго уровня).

Недостатками процессоров Athlon являются относительно высокая латентность кэш-памяти, а также не изменившаяся при интеграции кэш-памяти второго уровня ширина её шины, по-прежнему составлявшая 64 бит (в то время как процессор Pentium III с интегрированным кэшем имеет 256-битную шину).

Интеграция кэш-памяти второго уровня в ядро процессора, наряду с повышением производительности, позволила в дальнейшем отказаться от использования процессорной платы и картриджа. Процессоры Athlon на ядре Thunderbird выпускались в двух вариантах корпусов:

• SECC (модели 650 — 1000 МГц с частотой системной шины 200 МГц).
• FCPGA (все модели).

Первоначально процессоры на ядре Thunderbird имели частоту системной шины 200 МГц. В поздних моделях частота системной шины повышена до 266 МГц.

Процессоры на ядре Thunderbird содержали 37 млн. транзисторов и выпускались по 180 нм техпроцессу, площадь кристалла составляла 120 мм². Напряжение питания — от 1,7 до 1,75 В, максимальное тепловыделение — 72 Вт (на частоте 1400 МГц).

Процессоры Athlon не имели встроенных средств измерения температуры ядра. Измерение осуществлялось с помощью термодатчика, расположенного под процессором («подсокетный датчик») и отличалось низкой точностью. Зачастую датчик не контактировал с корпусом процессора, а измерял температуру воздуха возле процессора. Эффективность термозащиты в процессорах Athlon была минимальной, что в сочетании с высоким тепловыделением могло привести к сокращению срока службы процессора, либо к выходу его из строя в результате перегрева.

Ядро Thunderbird легло в основу процессоров для недорогих компьютеров — AMD Duron. От процессоров Athlon они отличались уменьшенным объёмом кэш-памяти второго уровня. Дальнейшим развитием ядра Thunderbird стало ядро Palomino, использовавшееся в процессорах Athlon XP.

Положение на рынке и сравнение с конкурентами

Athlon являлся флагманским процессором компании AMD для настольных компьютеров с момента выхода в июне 1999 года и до появления на рынке процессора Athlon XP в октябре 2001 года. Параллельно с Athlon существовали следующие x86-процессоры:

• Intel Pentium III (Katmai). Конкурировал с процессорами Athlon на ядрах Argon, Pluto и Orion. Во многих задачах уступал процессору Athlon, в некоторых — опережал за счёт наличия поддержки расширений SSE.
• Intel Pentium III (Coppermine). Конкурировал с процессорами Athlon на ядрах Pluto, Orion и Thunderbird. В некоторых задачах уступал процессорам Athlon за счёт архитектурных преимуществ процессоров семейства К7, в некоторых — опережал их за счёт наличия поддержки расширений SSE и за счёт быстрой 256-битной шины кэш-памяти (против 64-битной у Athlon)
• Intel Pentium 4. Серьёзно уступал всем конкурентам на равных частотах, однако за счёт архитектуры NetBurst имел значительно более высокий частотный потенциал, что позволяло их опережать в оптимизированных под эту архитектуру приложениях. При некотором преимуществе в тактовой частоте опережал Athlon за счёт поддержки расширений SSE и SSE2.
• Intel Celeron (Coppermine-128). Предназначался для рынка недорогих настольных компьютеров. Уступал как процессорам Athlon, так и конкуренту — AMD Duron — в основном за счёт использования медленной системной шины (66 / 100 МГц против 200 / 266 МГц у AMD Athlon и Duron). Уменьшенный до 128 Кб кэш второго уровня также не позволял процессорам Celeron приблизиться к конкурентам.
• AMD Duron. Предназначался для рынка недорогих настольных компьютеров. Уступал процессорам Athlon за счёт меньшего объёма кэша второго уровня, а впоследствии и за счёт менее быстрой системной шины, чем у процессоров Athlon.
• VIA C3. Предназначался для компьютеров с низким энергопотреблением, имел крайне низкую производительность и уступал всем конкурирующим процессорам.
• Transmeta Crusoe. Предназначался для использования в портативных компьютерах. Имел очень низкое энергопотребление, по производительности отставал от равночастотного Athlon.

«Битва за гигагерц»

К концу 1999 года тактовые частоты процессоров, выпускаемых компаниями Intel и AMD вплотную приблизились к отметке 1 ГГц. С точки зрения рекламных возможностей, первенство в покорении этой частоты означало серьёзное превосходство над конкурентом, поэтому Intel и AMD прикладывали значительные усилия для преодоления гигагерцового рубежа.

Процессоры Intel Pentium III на тот момент выпускались по 180 нм техпроцессу и имели интегрированный кэш второго уровня, работающий на частоте ядра. На частотах, близких к 1 ГГц, интегрированный кэш работал нестабильно.

Процессоры AMD Athlon также выпускались по 180 нм техпроцессу, но имели внешний кэш, работающий на частоте в 2 — 3 раза меньшей, чем частота ядра. На частотах, близких к 1 ГГц, кэш работал на трети частоты ядра, что позволяло наращивать тактовую частоту процессоров.

Это предопределило исход противостояния: 6 марта 2000 года компанией AMD был представлен процессор Athlon, работающий на тактовой частоте 1 ГГц. Кэш-память второго уровня в этом процессоре работала на частоте 333 МГц. Поставки Athlon 1 ГГц производителям готовых систем (Compaq и Gateway) начались сразу же после анонса, а в широкую продажу эти процессоры поступили менее чем через месяц после презентации. Через два дня, 8 марта 2000 года, компанией Intel был анонсирован процессор Pentium III 1 ГГц, который появился в широкой продаже со значительной задержкой.

Интересные факты

• Единственным суперкомпьютером на базе процессоров Athlon, вошедшим в список TOP500 стал кластер Presto III, построенный в Токийском Институте Технологий (GSIC Center, Tokyo Institute of Technology) в 2000 году. В июне 2001 года Presto III содержал 78 процессоров Athlon 1333 МГц и занимал 438 место. Впоследствии Presto III был значительно модернизирован (480 процессоров Athlon MP) и в июне 2002 занял 47 место .
• Процессор Athlon 1,4 ГГц на ядре Thunderbird A9 принял участие в известном видеоролике, снятом в 2001 году Томасом Пабстом (Tom's hardware guide) и демонстрирующим эффективность термозащиты процессоров. После снятия кулера с работающего процессора, Athlon получил необратимые термические повреждения, в то время как система с процессором Pentium III зависла, однако процессор был своевременно отключён.

Технические характеристики

	Argon	Pluto	Orion	Thunderbird
	Десктопный
Тактовая частота
Частота ядра, МГц	500 — 700	550 — 950	1000	650 — 1000	650 — 1400
Частота FSB, МГц	200				200 — 266
Характеристики ядра
Набор инструкций	IA-32, MMX, 3DNow!, Extended 3DNow!
Разрядность регистров	32 бит (целочисленные), 80 бит (вещественночисленные), 64 бит (MMX)
Глубина конвейера	Целочисленный: 10 стадий, вещественночисленный: 15 стадий
Разрядность ША	43 бит
Разрядность ШД	64 бит + 8 бит ECC
Количество транзисторов, млн.	22			37
Кэш L1
Кэш данных	64 Кб, 2-канальный наборно-ассоциативный, длина строки — 64 байта, двухпортовый
Кэш инструкций	64 Кб, 2-канальный наборно-ассоциативный, длина строки — 64 байта
Кэш L2
Объём, Кб	512			256
Частота	1/2 частоты ядра (модели до 700 МГц) 1/2,5 частоты ядра (модели 750 — 850 МГц) 1/3 частоты ядра (модели от 900 МГц)			частота ядра
Разрядность BSB	64 бит + 8 бит ECC
Организация	Объединённый, наборно-ассоциативный; длина строки — 64 байта			Объединённый, наборно-ассоциативный, эксклюзивный; длина строки — 64 байта
Ассоциативность	2-канальный			16-канальный
Интерфейс
Разъём	Slot A				Socket A
Корпус	SECC				керамический FCPGA, OPGA
Шина	EV6 (DDR)
Технологические, электрические и тепловые характеристики
Техпроцесс	250 нм. CMOS (шестислойный, алюминиевые соединения)	180 нм. CMOS (шестислойный, алюминиевые соединения)		CMOS (шестислойный, алюминиевые или медные соединения)
Площадь кристалла, мм²	184	102		120
Напряжение ядра, В	1,6	1,6 — 1,8	1,8	1,7 — 1,75
Напряжен