L'architecture Intel Nehalem

Publié le 17/09/2008 par
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Un TDP revu à la hausse.
Nehalem une architecture économe en énergie ? Pas vraiment, enfin pas tous les modèles. Les premiers Core i7 « Bloomfield » disponibles prochainement sont annoncés avec un TDP de 130W, pour des fréquences d'horloges entre 2,66 et 3,20 GHz. Soit près de 35% de plus que les Core 2 Quad « Yorkfield » (45 nm), affichés à un TDP de 95W jusqu'à 3 GHz .

Il faut cependant relativiser ce chiffre, car le processeur intègre désormais le contrôleur mémoire dont la dissipation est incluse dans ces 130W, ce qui n'est pas le cas sur une machine à base de Core 2 où le contrôleur mémoire est intégré dans le northbridge, ce qui ne fait que « déplacer » les watts consommés. En revanche, le Core i7 concentre cette dissipation sur une surface plus réduite, et à proximité des cores qui représente le point le plus chaud du système.

Les caches du Core i7 sont également une source importante de dissipation thermique, et si on ne considère que la dissipation liée aux courants de fuite, la seule présence des L2 (ajoutés, rappelons-le, dans le seul but de soulager le cache L3 mais qui n'augmentent pas la taille totale de cache) augmente la dissipation du sous-système de caches de près de 13% (4 x 256 Ko divisés par 8 Mo).

La multiplication des domaines d'horloges et de tensions permet heureusement de mieux contrôler la dissipation thermique globale du processeur, mieux en tout cas que sur Core 2 (qui ne souffre d'ailleurs pas vraiment d'une dissipation excessive, même en configuration quadruple cores), et la grande souplesse de design sera la clé pour des modèles de Core i7 (ou quelque soit le nom qu'ils porteront) à consommation réduite.

Mode Turbo et overlocking
Le mode Turbo des Core i7 n'est pas une caractéristique architecturale, mais une fonctionnalité qu'Intel a déjà implémenté sur certaines versions de Core 2 Mobile, sous le nom de IDA (Intel Dynamic Acceleration). Le mécanisme consiste à accélérer de façon dynamique et temporaire la vitesse d'horloge d'un ou de plusieurs cores lorsque d'autres ne sont pas sollicités. L'idée réside dans le constat selon lequel beaucoup d'applications consistent en un ou deux threads, et n'exploitent donc pas toutes les capacités de traitement multi-thread d'un processeur multi-cores. Lorsque le cas se présente, le mode Turbo se déclenche (sous contrôle du système d'exploitation) et augmente le coefficient multiplicateur du ou des cores concernés.

Nehalem marque une étape dans la gestion de la tension et de la fréquence d'horloge internes. Jusqu'alors, cette gestion est à la charge du système d'exploitation, et le processeur offre à cet effet la possibilité d'un contrôle externe sur le coefficient multiplicateur (FID : Frequency Identifier) et la tension électrique (VID : Voltage Identifier), qui constituent la base de l'EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology). Le Core i7 n'externalise plus ces paramètres, et lui seul peut les modifier afin de garder le contrôle sur sa dissipation thermique. Le processeur est en effet capable d'estimer sa puissance consommée à chaque instant (tension électrique x intensité du courant consommé), et bien entendu de la contrôler à l'aide des paramètres de fréquence et de tension. Ainsi, un modèle de Core i7 ne se caractérise plus par ses FID et VID maximums, mais par son TDP maximum. Le software (le BIOS et le système d'exploitation) ne manipule désormais plus les couples FID / VID comme sur les générations précédentes, mais des « Power-State » (ou P-State, pour « étapes de puissance »). Ces étapes de puissance sont définies à partir du TDP global du processeur à la fréquence maximale, hors mode Turbo.
A titre d'exemple, le Core i7 est annoncé avec un TDP de 130 Watts à 2,93 GHz, soit 22 x 133. Pour chaque coefficient multiplicateur intermédiaire, le TDP estimé vaut :

TDP[coeff] = (coeff / max_coeff)3 x TDP_core + TDP_uncore

La partie « uncore » du processeurs (IMC et cache L3) n'est pas soumise aux P-states, ainsi 20 des 130 Watts sont constants. On obtient ainsi, par exemple à 14 x 133 = 1,86 GHz :

TDP[14] = (14/22)3 x 110 + 20 = 48 Watts.

Le coefficient multiplicateur varie entre 12x et 22x, ce qui nous donne dix P-state variant entre 37 et 130 Watts.
Le mode Turbo opère donc dans le cadre de ce contrôle interne du TDP global du processeur : l'absence d'activité d'un ou de plusieurs cores se traduit par une baisse du TDP global, offrant ainsi au mode Turbo l'opportunité de déclencher l'accélération des cores sollicités.

Ce nouveau mécanisme de protection par contrôle du TDP pose évidemment la question de l'overclocking, car cette pratique risque de rapidement faire dépasser le TDP maximum du processeur. A priori Intel ne mettra finalement pas de limitation à ce niveau, et il sera possible d'aller au delà - mais bien entendu le mode Turbo ne sera alors plus utilisé.

Seules les variantes « Extreme Edition » des Core i7 permettront de modifier le plafond de TDP. Attention cependant, il est question que ces paramètres modifiables sur les Core i7 XE ne concernent que le mode Turbo. Le cas échéant, il serait ainsi possible de modifier le coefficient multiplicateur maximal ainsi que le plafond de TDP, mais cela ne signifierait pas que le processeur tourne tout le temps avec ces paramètres.
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