نت بيرست

الموسوعة الحرة

كانت بنية NetBurst الدقيقة ، [ 1 ] [ 2 ] والتي تُعرف باسم P68 داخل شركة إنتل ، خليفةً لبنية P6 الدقيقة في عائلة معالجات x86 المركزية (CPUs) التي أنتجتها إنتل. أول معالج مركزي استخدم هذه البنية كان معالج بنتيوم 4 ذو نواة Willamette ، الذي صدر في 20 نوفمبر 2000، وكان أول معالج من سلسلة بنتيوم 4 ؛ كما استندت جميع إصدارات بنتيوم 4 وبنتيوم D اللاحقة إلى بنية NetBurst. في منتصف عام 2001، أصدرت إنتل نواة Foster ، التي استندت أيضًا إلى بنية NetBurst، مما أدى إلى تحويل معالجات Xeon إلى البنية الجديدة أيضًا. كما تستخدم معالجات Celeron المبنية على بنتيوم 4 بنية NetBurst. تم إيقاف إنتاجها في عام 2010 واستُبدلت ببنية Core الدقيقة المبنية على P6، والتي صدرت في يوليو 2006.

تكنولوجيا

تتضمن البنية الدقيقة لـ NetBurst ميزات مثل Hyper-threading و Hyper Pipelined Technology و Rapid Execution Engine و Execution Trace Cache ونظام إعادة التشغيل ، والتي تم تقديمها جميعًا لأول مرة في هذه البنية الدقيقة بالذات، وبعضها لم يظهر مرة أخرى بعد ذلك.

تقنية تعدد الخيوط المتزامنة

تقنية Hyper-threading هي تقنية تعدد الخيوط المتزامنة (SMT) الخاصة بشركة إنتل، وتُستخدم لتحسين موازاة العمليات الحسابية (تنفيذ مهام متعددة في وقت واحد) على معالجات x86. قدمتها إنتل مع معالجات NetBurst في عام 2002، ثم أعادت تقديمها لاحقًا في بنية Nehalem الدقيقة بعد غيابها عن معالجات Core 2.

حافلة أمامية جانبية رباعية المضخات

تتميز معالجات نورثوود وويلاميت بناقل أمامي خارجي يعمل بتردد 100  ميجاهرتز، ينقل أربع بتات في كل دورة ساعة، مما يوفر سرعة فعالة تبلغ 400  ميجاهرتز. أما الإصدارات اللاحقة من معالج نورثوود، بالإضافة إلى معالج بريسكوت ( ومشتقاته )، فتتميز  بناقل أمامي فعال بتردد 800 ميجاهرتز (200  ميجاهرتز مع تضخيم رباعي).

تقنية خطوط الأنابيب الفائقة

تحتوي معالجات ويلاميت ونورثوود على مسار تعليمات مكون من 20 مرحلة . يُمثل هذا زيادة كبيرة في عدد المراحل مقارنةً بمعالج بنتيوم 3، الذي كان يحتوي على 10 مراحل فقط. أما معالج بريسكوت، فقد زاد طول مسار التعليمات إلى 31 مرحلة. من عيوب مسارات التعليمات الأطول زيادة عدد المراحل التي يجب تتبعها في حالة حدوث خطأ في التنبؤ بالتفرع، مما يزيد من تكلفة هذا الخطأ. ولمعالجة هذه المشكلة، ابتكرت إنتل محرك التنفيذ السريع واستثمرت بكثافة في تقنية التنبؤ بالتفرع، والتي تدّعي إنتل أنها تُقلل أخطاء التنبؤ بالتفرع بنسبة 33% مقارنةً بمعالج بنتيوم 3. [ 3 ] في الواقع، أدى مسار التعليمات الأطول إلى انخفاض الكفاءة نتيجةً لانخفاض عدد التعليمات المنفذة لكل دورة ساعة (IPC) ، حيث لم يكن من الممكن الوصول إلى سرعات ساعة عالية بما يكفي لتعويض فقدان الأداء بسبب الزيادة غير المتوقعة في استهلاك الطاقة والحرارة.

محرك التنفيذ السريع

بفضل هذه التقنية، تعمل وحدتا الحساب والمنطق (ALU) في نواة المعالج المركزي (CPU) بتردد مضاعف، أي أنهما تعملان فعليًا بتردد ضعف تردد ساعة النواة. على سبيل المثال، في  معالج بتردد 3.8 جيجاهرتز، ستعمل وحدتا الحساب والمنطق بتردد 7.6  جيجاهرتز. والسبب وراء ذلك هو تعويض انخفاض عدد التعليمات المنفذة في الدورة الواحدة (IPC)، بالإضافة إلى تحسين أداء المعالج المركزي للأعداد الصحيحة بشكل ملحوظ. كما استبدلت إنتل مُبدِّل الإزاحة الأسطواني عالي السرعة بوحدة تنفيذ إزاحة/تدوير تعمل بنفس تردد نواة المعالج المركزي. أما الجانب السلبي فهو أن بعض التعليمات أصبحت أبطأ بكثير (نسبيًا ومطلقًا) [ ملاحظة 1 ] مما كانت عليه سابقًا، مما يجعل تحسين الأداء لمعالجات متعددة أمرًا صعبًا. ومن الأمثلة على ذلك عمليات الإزاحة والتدوير، التي تعاني من غياب مُبدِّل الإزاحة الأسطواني الموجود في جميع معالجات x86 بدءًا من i386، بما في ذلك معالج أثلون المنافس الرئيسي .

ذاكرة التخزين المؤقت لتتبع التنفيذ

أدمجت إنتل ذاكرة التخزين المؤقت لتتبع التنفيذ (Execution Trace Cache) ضمن ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1) لوحدة المعالجة المركزية. تخزن هذه الذاكرة العمليات الدقيقة المُفكَّكة ، بحيث عند تنفيذ تعليمة جديدة، بدلاً من جلب التعليمة وفك تشفيرها مرة أخرى، تصل وحدة المعالجة المركزية مباشرةً إلى العمليات الدقيقة المُفكَّكة من ذاكرة التخزين المؤقت للتتبع، مما يوفر وقتًا كبيرًا. علاوة على ذلك، تُخزَّن العمليات الدقيقة في مسار تنفيذها المتوقع، مما يعني أنه عند جلب التعليمات بواسطة وحدة المعالجة المركزية من ذاكرة التخزين المؤقت، تكون موجودة بالفعل بالترتيب الصحيح للتنفيذ. [ 4 ] لاحقًا، قدمت إنتل مفهومًا مشابهًا ولكن أبسط مع معالجات ساندي بريدج يُسمى ذاكرة التخزين المؤقت للعمليات الدقيقة (UOP cache).

أنظمة إعادة التشغيل

نظام إعادة التشغيل هو نظام فرعي ضمن معالج Intel Pentium 4، وظيفته رصد العمليات التي أرسلها مُجدول المعالج عن طريق الخطأ للتنفيذ. تُعاد تنفيذ العمليات التي رصدها نظام إعادة التشغيل في حلقة تكرارية حتى تتحقق الشروط اللازمة لتنفيذها بشكل صحيح.

تلميحات التنبؤ بالفروع

تتيح بنية Intel NetBurst إمكانية إدراج تلميحات التنبؤ بالتفرع في الكود لتحديد ما إذا كان ينبغي اتباع التنبؤ الثابت أم لا، بينما تم التخلي عن هذه الميزة في معالجات Intel اللاحقة. ووفقًا لشركة Intel، فإن خوارزمية التنبؤ بالتفرع في NetBurst أفضل بنسبة 33% من تلك الموجودة في P6. [ 5 ] [ 6 ]

مشاكل في التطوير والتوسع

على الرغم من هذه التحسينات، شكّلت بنية NetBurst عقبات أمام المهندسين الذين سعوا إلى رفع مستوى أدائها. فمع هذه البنية الدقيقة، خططت إنتل للوصول إلى سرعات معالجة تبلغ 10  جيجاهرتز، [ 7 ] ولكن مع ارتفاع سرعات المعالجة، واجهت إنتل مشاكل متزايدة في الحفاظ على استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة ضمن الحدود الطبيعية والفعالة. وصلت إنتل إلى سرعة قصوى بلغت 3.8  جيجاهرتز في نوفمبر 2004، لكنها واجهت مشاكل في هذه العملية. بعد هذه المشاكل، انتقلت إنتل إلى تطوير خليفة لـ NetBurst، وهي بنية Intel Core الدقيقة ، في عام 2006 بعد أن بدأت الحرارة والمشاكل الأخرى ذات الصلة تُشكّل عائقًا لا يُمكن تجاوزه (مستوحاة من معالج P6 Core في Pentium Pro وصولًا إلى معالج Tualatin Pentium III -S، وبشكل مباشر من Pentium M ).

التعديلات

مراجعةماركة (ماركات) المعالجمراحل خط الأنابيب
ويلاميت (180  ميل بحري)سيليرون، بنتيوم 4، زيون20
نورثوود (130  ميلًا بحريًا)سيليرون، بنتيوم 4، بنتيوم 4 إتش تي، بنتيوم 4 إتش تي إكستريم إيديشن، زيون20
بريسكوت (90  ميل بحري)سيليرون دي، بنتيوم 4، بنتيوم 4 إتش تي، بنتيوم 4 إتش تي إكستريم إيديشن، زيون31
سيدار ميل (65  ميل بحري)سيليرون دي، بنتيوم 4 إتش تي31
سميثفيلد (90  ميلًا بحريًا)بنتيوم دي، زيون31
بريسلر (65  نانومتر)بنتيوم دي، زيون31

استبدلت شركة إنتل نواة ويلاميت الأصلية بنسخة معاد تصميمها من بنية NetBurst الدقيقة تسمى نورثوود في يناير 2002. جمع تصميم نورثوود بين زيادة حجم ذاكرة التخزين المؤقت،  وعملية تصنيع أصغر بحجم 130 نانومتر، وتقنية Hyper-threading (على الرغم من أن جميع الطرازات باستثناء  طراز 3.06 جيجاهرتز كانت هذه الميزة معطلة في البداية) لإنتاج نسخة أحدث وأعلى أداءً من بنية NetBurst الدقيقة.

في فبراير 2004، قدمت إنتل معالج بريسكوت ، وهو نسخة معدلة جذريًا من البنية الدقيقة. تم إنتاج نواة بريسكوت بتقنية 90  نانومتر، وتضمنت العديد من التغييرات التصميمية الرئيسية، بما في ذلك إضافة ذاكرة تخزين مؤقت أكبر (من 512 كيلوبايت في نورثوود إلى 1 ميجابايت، و2 ميجابايت في بريسكوت 2 ميجابايت)، وخط أنابيب تعليمات أعمق بكثير (31 مرحلة مقارنة بـ 20 في نورثوود )، ومتنبئ تفرع مُحسَّن بشكل كبير ، وإدخال تعليمات SSE3 ، ولاحقًا، تطبيق تقنية الذاكرة الموسعة من إنتل 64 (EM64T)، وهي العلامة التجارية التي أطلقتها إنتل على تطبيقها المتوافق مع إصدار x86-64 ذي 64 بت من البنية الدقيقة x86 (كما هو الحال مع تقنية تعدد الخيوط المتزامنة، تحتوي جميع رقائق بريسكوت التي تحمل علامة بنتيوم 4 HT على مكونات مادية تدعم هذه الميزة، ولكنها كانت في البداية مُفعَّلة فقط على معالجات زيون المتطورة ، قبل أن يتم تقديمها رسميًا في المعالجات التي تحمل علامة بنتيوم التجارية). أصبح استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة من أبرز المشاكل التي واجهها معالج بريسكوت ، الذي سرعان ما أصبح الأكثر سخونة واستهلاكًا للطاقة بين معالجات إنتل أحادية النواة من نوعي x86 و x86-64. وقد حالت مخاوف الطاقة والحرارة دون إصدار إنتل لمعالج بريسكوت بتردد أعلى من 3.8  جيجاهرتز، بالإضافة إلى نسخة محمولة منه بتردد أعلى من 3.46  جيجاهرتز.

أصدرت شركة إنتل أيضًا معالجًا ثنائي النواة يعتمد على بنية NetBurst الدقيقة ويحمل العلامة التجارية Pentium D. تم تسمية أول نواة Pentium D بالرمز Smithfield ، وهي في الواقع نواتان من Prescott في شريحة واحدة، ولاحقًا Presler ، والتي تتكون من نواتين من Cedar Mill على شريحتين منفصلتين ( Cedar Mill  هي نسخة مصغرة من Prescott بتقنية 65 نانومتر ).

خارطة الطريق

خليفة

كانت شركة إنتل تُطوّر معالجاتٍ جديدةً تعتمد على معمارية NetBurst، تُدعى Tejas وJayhawk، وتضمّ ما بين 40 و50 مرحلةً من مراحل المعالجة، لكنها قررت في نهاية المطاف استبدال NetBurst بمعمارية Core الدقيقة ، [ 8 ] [ 9 ] التي صدرت في يوليو 2006؛ وقد استُمدّت هذه المعالجات الجديدة بشكلٍ مباشرٍ من معالج Pentium Pro ( بمعمارية P6 الدقيقة ). وشهد يوم 8 أغسطس 2008 نهاية معالجات إنتل التي تعتمد على NetBurst. [ 10 ] ويعود سبب التخلي عن NetBurst إلى مشاكل الحرارة الشديدة الناتجة عن سرعات الساعة العالية. وبينما تتميّز بعض معالجات Core وNehalem باستهلاك طاقة حرارية ( TDP) أعلى ، فإنّ معظم المعالجات متعددة النوى، لذا تُصدر كل نواة جزءًا من الحد الأقصى لاستهلاك الطاقة الحرارية، وتُصدر معالجات Core أحادية النواة ذات أعلى تردد حرارة 27 واط كحدٍ أقصى من الحرارة. كانت معالجات بنتيوم 4 المكتبية ذات التردد الأعلى (أحادية النواة) تستهلك طاقة حرارية (TDP) تبلغ 115 واط، مقارنةً بـ 88 واط للإصدارات المحمولة ذات التردد الأعلى. مع ذلك، ومع طرح إصدارات جديدة، انخفضت استهلاكات الطاقة الحرارية لبعض الطرازات لاحقًا.

كان من المفترض أن تكون بنية Nehalem الدقيقة، التي خلفت بنية Core الدقيقة، تطورًا لـ NetBurst وفقًا لخرائط طريق Intel التي يعود تاريخها إلى عام 2000. تعيد Nehalem تنفيذ بعض ميزات NetBurst، بما في ذلك تقنية Hyper-Threading التي تم تقديمها لأول مرة في نواة Northwood بسرعة 3.06 جيجاهرتز ، وذاكرة التخزين المؤقت L3، التي تم تنفيذها لأول مرة على معالج للمستهلكين في نواة Gallatin المستخدمة في Pentium 4 Extreme Edition. 

رقائق تعتمد على تقنية NetBurst

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ يُشير مصطلح "نسبيًا" إلى عدد الدورات اللازمة لإتمام التعليمات، بينما يُشير مصطلح "مطلقًا" إلى الوقت اللازم لإتمام التعليمات بعد مراعاة سرعة المعالج. على سبيل المثال، تستغرق التعليمات التي تستغرق 10 دورات على معالج بسرعة 1 جيجاهرتز 10 نانوثانية؛ لذا فهيأبطأ نسبيًا وأسرع مطلقًا من التعليمات التي تستغرق دورة واحدة على معالج بسرعة 0.01 جيجاهرتز (100 نانوثانية).

مراجع

  1. ↑ كارمين، دوغ (ربيع 2002). "معالج إنتل بنتيوم 4" (ملف PDF) . إنتل . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 19 أبريل 2018.
  2. ↑ "إعادة التشغيل: ميزات غير معروفة في نواة NetBurst" . XbitLabs . 6 مارس 2016. مؤرشف من الأصل في 6 مارس 2016.
  3. ↑ "وحدة التنبؤ بتفرع ذاكرة التخزين المؤقت للتتبع" . معالج بنتيوم 4 الجديد من إنتل . موقع تومز هاردوير . 20 نوفمبر 2000. تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 أبريل 2021 .
  4. ↑ "الدخول إلى مسار التنفيذ - ذاكرة التتبع في معالج بنتيوم 4، تابع" . معالج بنتيوم 4 الجديد من إنتل . موقع تومز هاردوير . 20 نوفمبر 2000. تاريخ الاطلاع: 30 أبريل 2021 .
  5. ↑ فوغ، أغنر (1 ديسمبر 2016). "البنية الدقيقة لوحدات المعالجة المركزية من إنتل، وإيه إم دي، وفيا" (ملف PDF) . ص 36. تم الاطلاع عليه في 22 مارس 2017 . 
  6. ↑ ميلينكوفيتش، ميلينا؛ ميلينكوفيتش، ألكسندر؛ كوليك، جيفري. "تبسيط تنبؤات تفرع الذكاء" (ملف PDF) .
  7. ↑ شيمبي، أناند لال. "مستقبل عمليات التصنيع في إنتل" . مؤرشف من الأصل في 18 يونيو 2011. تم الاطلاع عليه في 4 أبريل 2018 .
  8. ↑ "شركة إنتل تقول وداعاً لرقائق تيخاس وجيهوك" . ذا ريجستر .
  9. ↑ غودوينز، روبرت. "إنتل تلغي مشروعي تيجاس وجايهوك" . زد نت . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أغسطس 2019 .
  10. ↑ شيلوف، أنطون (21 مايو 2007). "نهاية عصر بنية NetBurst الدقيقة من إنتل" . XbitLabs . مؤرشف من الأصل في 17 أكتوبر 2015. تم الاطلاع عليه في 29 نوفمبر 2015 .