Intel Core 2 Duo

Le plan Netburst

L’architecture Netburst a donc été motivée par des considérations réelles de performances, même si les fréquences importantes n’étaient certainement pas pour déplaire au service marketing d’Intel. Le plan de développement de Netburst était relativement simple : augmenter la profondeur du pipeline au fur et à mesure des versions. Doublée de la réduction de la finesse de gravure, cette stratégie était censée permettre d’atteindre et de dépasser 7 GHz :

20 étapes (cores Willamette et Northwood), pour une fréquence maximale de 3,4 GHz.

31 étapes (cores Prescott et Cedar Mill), pour une fréquence maximale prévue de l’ordre de 5 GHz.

45 étapes (core Tejas), pour dépasser les 7 GHz.

Bien sûr l’augmentation du découpage du pipeline a ses limites. Au delà de 55 étapes, la baisse de l’IPC engendrée par les dépendances n’est plus compensée par l’augmentation de la fréquence d’horloge, et le nombre d’instructions par seconde, et donc la performance, commence à décliner.


(source Intel)
Les premiers Pentium 4 Willamette ne se sont hélas pas montré très performants, hormis peut-être la version à 2GHz. En effet, le modèle théorique révèle que la performance n’est au rendez-vous que si la fréquence d’horloge est assez élevée pour compenser la baisse d’IPC, et les versions entre 1,3 et 1,5GHz du Willamette ne remplissaient que partiellement cette condition. La déclinaison Northwood a cependant redressé la barre de façon spectaculaire. D’une part par l’utilisation de fréquences plus élevées, mais également par l’emploi d’un cache L2 plus gros et plus performant que celui du Willamette, ce qui a eu pour effet d’augmenter le succès du sous-système de cache et de réduire ainsi les pénalités liées aux accès mémoire. Les versions à partir de 2,8GHz du Northwood ont réellement donné ses lettres de noblesse au Netburst, et les modèles à 3,2 et 3,4GHz sont encore aujourd’hui des modèles de performance, d’ailleurs très recherchés sur le marché de l’occasion.

En juin 2004 Intel passe à la seconde phase du plan Netburst et introduit le Prescott. Bien que possédant plus de mémoire cache que le Northwood, le Prescott surprend doublement ses premiers testeurs : les performances sont dans certains cas inférieures à celles du Northwood, et le nouveau processeur, bien que gravé en 90nm, tend à chauffer exagérément. La baisse de performance par rapport au Northwood s’explique par l’augmentation de la profondeur du pipeline à 31 étapes. L’échauffement excessif est en revanche une très mauvaise surprise, dont le Prescott ne se débarrassera jamais complètement malgré une sensible amélioration du phénomène au fil des steppings. Mais ce sont au final les problèmes de dissipation thermique qui casseront la progression du Prescott. Dès lors les choses ont tourné au vinaigre pour Netburst. Le Prescott bloqué dans sa montée en fréquence, c’est tout l’intérêt de l’architecture Netburst qui est remis en cause.

Les problèmes du Netburst

Northwood souffrait déjà d’une dissipation thermique importante, bien que le problème fût moins conséquent que sur le Prescott. Si la dissipation restait acceptable pour une plate-forme de bureau ou un server, elle représentait un réel problème pour la plate-forme mobile, tant en terme de chaleur dégagée que d’autonomie. Bien que le Pentium 4 existe en version Mobile, l’architecture Netburst n’est réellement pas adaptée à la mobilité, ce qui a nécessité le développement d’une architecture dédiée à une utilisation basse consommation.

En parallèle de Netburst s’est ainsi développée l’architecture Mobile, dérivée de P6, et dont le premier représentant, le Pentium M Banias, est sorti dès mars 2003. Bien qu’elle fut un succès, alliant performances et économie d’énergie, Mobile a représenté un coup dur pour Netburst, imposant à Intel la production de deux architectures distinctes pour couvrir toutes les plate-formes PC. Ce qui bien sûr signifie des coûts de production plus élevés en comparaison à une architecture multi-usage. Premier revers pour Netburst.

La raison pour laquelle Netburst est en proie à une dissipation thermique élevée tient dans les fréquences utilisées, mais ce n’est pas la seule raison. A fréquences égales, Prescott dissipe bien plus d’énergie que Northwood, et ce malgré une finesse de gravure inférieure. La différence réside en réalité dans la profondeur du pipeline. Augmenter le nombre d’étapes tend en effet à augmenter la puissance dissipée, pour une raison liée au découpage.

Pour comprendre, il faut savoir que certaines étapes critiques dans le traitement des instructions nécessitent de s’effectuer en un cycle d’horloge, sous peine de ralentir considérablement le fonctionnement du pipeline. C’est par exemple le cas de la prédiction de branchement ou du moteur out-of-order, responsable de gérer les dépendances. Ces étapes clés ne sont pas de bonnes candidates au découpage, et doivent terminer leur travail sur un temps de cycle.

Or, plus le pipeline est long, plus le temps de cycle est faible. Afin de compenser cette diminution, il est nécessaire de paralléliser les algorithmes utilisés par ces étapes afin qu’elles puissent effectuer leur travail dans le temps imparti. Cette parallélisation complexifie considérablement l’étape, et notamment le nombre de transistors qu’elle requiert. De plus, si le seul changement de l’algorithme ne suffit pas à boucler l’opération en un cycle, il est alors nécessaire d’utiliser des transistors plus rapides, donc plus gros et plus gourmands. Tout ceci se traduit bien évidemment par une augmentation de la dissipation thermique, et est d’autant plus critique que le temps de cycle visé est faible, et donc le pipeline profond.

Un exemple illustre particulièrement bien cette contrainte. Le Northwood possède des unités de calcul entier de type « double vitesse », qui permettent en pratique de boucler deux opérations entières par cycle. L’allongement de la longueur du pipeline sur le Prescott n’a pas permis d’implémenter de telles ALUs. Afin de garder le même débit d’instructions, chaque ALU double vitesse a donc été transformée en deux ALUs simple vitesse. Ceci a bien entendu doublé le nombre de transistors utilisé par les unités concernées.


Le Prescott a transformé chaque ALU double vitesse du Northwood en deux ALUs simple vitesse.
On peut se demander où en serait Netburst aujourd’hui si l’on fait abstraction des problèmes de dissipation, c’est-à-dire si le refroidissement cryogénique remplaçait le ventirad standard Intel. Prescott tournerait alors à 4,8 GHz, et la version Cedar Mill permettrait de franchir la barrière des 5 GHz. Le Tejas serait à nos portes, introduisant son jeu d’instruction SSE4 (initialement appelé TNI pour « Tejas New Instructions ») et un pipeline à 45 étapes.

Le but de cette projection n’est pas de dresser un tableau idyllique de l’architecture Netburst, mais de constater que l’abandon de Netburst n’a pas été motivé par un problème de performances absolues de l’architecture mais bel et bien de dissipation thermique ce qui au final n’a pas permis d´atteindre les fréquences nécessaires à la performance ciblée.