De toekomst van de Pentium M

Introductie

Intel Pentium M Dothan aankondiging In de zomer van 2000 werd de 1,13GHz Pentium III uitgebracht, gebaseerd op de 0,18 micron Coppermine-core met 256KB L2-cache. De eerste review van deze splinternieuwe processor werd geschreven door Tom's Hardware, maar in plaats van een serie mooie benchmarks van het nieuwe topmodel plaatste de site een vernietigend oordeel over de chip. De processor werd onstabiel, onbetrouwbaar en veel te warm genoemd, ondanks het feit dat een vrij grote heatsink met twee fans het apparaat koel probeerde te houden. Intel was na bevestiging van andere sites gedwongen om zijn fout toe te geven, en riep de processor terug om de problemen op te lossen. Uiteindelijk zou het nog een jaar duren voor de 1,13GHz-processor in de winkels lag. 'Het stroomverbruik van dat ding zal dan wel extreem geweest zijn', zullen veel mensen nu waarschijnlijk denken. Vergeleken met de 100+ watters van nu stelt die 35 watt van toen echter helemaal niets meer voor .

Deze anecdote toont aan hoe snel de zaken uit de hand gelopen zijn gedurende het hele Pentium 4-tijdperk, ondanks het feit dat de kritiek van het grote publiek pas losbarste na de introductie van de op 90nm gebakken Prescott-core. Het definitieve besluit om de trend om te draaien werd ruim een jaar geleden genomen, toen de opvolger van Prescott (die maar liefst 150 watt nodig zou hebben) werd geannuleerd. Helaas kost het bouwen van een nieuwe processor vele jaren, en zijn de effecten van een dergelijke koerswijziging dus nooit op korte termijn te merken. Intel moet een lange periode overbruggen met andere verkoopargumenten dan zuinigheid, zoals extra features (platforms). Ondertussen moet het de prestaties van zijn desktopchips verhogen met meer cache, snellere bussen en extra cores, in plaats van ze gewoon hoger te klokken. De 65nm-technologie, die tot nu toe erg gezond lijkt te zijn, zal de Pentium 4 nog een laatste opkikker geven, maar dan is het ook echt afgelopen met de pret.

Pentium M badge Hoe Intel daarna verder zou moeten gaan was voor veel mensen zo klaar als een klontje. Met de mobiele Pentium M heeft het bedrijf namelijk al een redelijk zuinige chip in huis die ook nog eens goed presteert. Het is overigens een wijd verspreide misopvatting dat de Pentium M een simpele reïncarnatie van de oude Pentium III is. Een compleet nieuw team in Israël is namelijk jaren bezig geweest om een extreem zuinige core te ontwerpen. Alleen omdat het de bedoeling was dat bestaande software er snel op zou draaien, was het onvermijdelijk dat de Pentium M-core qua gedrag op de Pentium III zou gaan lijken. Dit omdat vrijwel alle software in die tijd was geoptimaliseerd voor P6-achtigen (iets wat nu trouwens nog steeds niet veel veranderd is). De pipeline en front-end van de Pentium M-core zijn echter compleet anders dan die van de Pentium III, en de twee chips lijken dus niet meer op elkaar dan bijvoorbeeld K7 en K8.

Een nieuwe koers

Hoe dan ook, Intel zelf was ook tot de conclusie gekomen dat de toekomst lag in chips zoals de in Israël ontworpen Banias en Dothan. De Pentium M zelf is op dit moment echter duidelijk niet geschikt voor de taak. In het kader van zuinigheid zijn te veel offers gebracht op het gebied van features en performance. Het beste voorbeeld hiervan zijn de 64-bit extensies, die bewust uit de core zijn gelaten omdat de ontwerpers er niet 5 à 10% van hun wattbudget voor over hadden. Er moet dus een hele nieuwe core komen om de Pentium 4 op te volgen, die in grote lijnen de filosofie van de Pentium M volgt, maar ondertussen ook genoeg features biedt voor desktops en servers.

Verder moet de nieuwe architectuur gebruik kunnen maken van tenminste een deel van de speelruimte die grote systemen qua koeling beschikbaar hebben. Want 130 watt is natuurlijk wel te veel, maar als men direct terug zou stappen naar de 35 watt van vijf jaar geleden dan zou er ook flink ingeleverd moeten worden op de (potentiële) prestaties van de core. Het is geen optie om simpelweg een mobiele chip over te klokken voor desktop- of servergebruik. De zuinige circuits die in de Pentium M gebruikt worden hebben namelijk de neiging om door te branden als ze te zwaar belast worden, en de hoeveelheid koeling die nodig is om dat te voorkomen wil men nu juist kwijt. Al tijdens het ontwerp van de nieuwe core zal dus een bepaalde middenweg tussen stroomverbruik en prestaties gezocht moeten worden. In de rest van dit artikel zullen we een overzicht geven van de geruchten en enkele feiten die op dit moment bekend zijn over de komende drie generaties van de (mobiele) Pentium.

Op korte termijn: Yonah

Zoals eerder opgemerkt is het afstappen van de Netburst-architectuur - ondanks de duidelijk aanwezige nadelen ervan - geen makkelijke beslissing geweest voor Intel. Als gevolg van het besluit moesten de plannen voor de komende jaren rigoreus worden herzien, en het was dan ook niet te verwachten dat er een jaar na dato al een volledig nieuwe architectuur op tafel zou liggen. De eerstvolgende nieuwe generatie van de Pentium M is dan ook nog niet de nieuwe chip waar het op de vorige pagina over ging. Maar wat is Yonah dan wel?

Yonah is een dual-core versie van de huidige Dothan, met introductiesnelheid van 2,17GHz en een 31 watt TDP. Deze specificaties verschillen nauwelijks met die van de huidige single-core processors; Intel laat het lijken alsof de tweede core er bijna moeiteloos bij komt. Dit is voornamelijk te danken aan het 65nm-procédé, dat kleinere en zuinigere transistors oplevert. In tegenstelling tot andere dual-cores van Intel zoals de Pentium D maakt Yonah wél gebruik van technisch vernuft om zijn twee cores aan elkaar te knopen: er is 2MB gedeeld L2-cache en een FSB-arbiter aanwezig. Ook brengt de chip een aantal nieuwe features met zich mee, zoals SSE3, Vanderpool Technology (virtualisatie) en LaGrande Technology (beveiliging). Verder wordt de snelheid van de bus verhoogd naar 667MHz.

Yonah-concept notebook naast een standaard desktop Op het gebied van zuinigheid is een flink aantal innovaties aangebracht, waardoor een notebook met Yonah het gemiddeld weer iets langer moet kunnen doen met een acculading dan de huidige Dothan-notebooks. Bij Intel hoopt men over een paar jaar notebooks te zien waar acht uur mee gewerkt kan worden zonder op te laden. Yonah-notebooks zouden volgens dit plan rond de zes uur moeten zitten. Om stroom te sparen zal de chip bijvoorbeeld een van zijn cores uitschakelen op het moment dat er geen netstroom is. Ook kan Yonah delen van het cache in slaaptoestand brengen, waarin de data bewaard blijft maar praktisch geen stroom gebruikt wordt.

Er zijn ook subtielere wijzigingen aanwezig. Een aantal instructies die veel gebruikt worden door toepassingen op het gebied van multimedia zijn door de ontwerpers geoptimaliseerd en hebben daardoor een veel lagere doorlooptijd gekregen. De aandacht van Intel voor compacte multimediasystemen is de laatste tijd zichtbaar toegenomen, recent nog in de vorm van een samenwerking met AOpen om een concurrent voor Mac mini neer te zetten gebaseerd op de Pentium M. Het lijkt er dan ook sterk op dat Intel Yonah gaat promoten als dé chip voor zuinige multimediasystemen.

Eerste stapjes omhoog

Het officiële standpunt van Intel over het gebruik van de Pentium M in desktopsystemen is altijd hetzelfde geweest: "Hij is er niet voor bedoeld, maar als iemand het wil doen laten wij ze hun gang gaan." Logisch, want de marges op de mobiele chips liggen stukken hoger dan die van desktopchips. Als mensen dus massaal voor de Pentium M zouden gaan in plaats van voor de Pentium 4 dan zou de kassa alleen maar harder gaan rinkelen. Geruchten over bewuste tegenwerking van dit idee om de desktopchips te 'beschermen' zijn dus nergens op gebaseerd. Het zijn de relatief hoge prijzen die er voor hebben gezorgd dat het tot nu toe niet echt mainstream is geworden, gecombineerd met het feit dat er lange tijd een achterstand is geweest op het gebied van chipsets. Dat laatste is met de komst van de 915M-familie (en straks natuurlijk ook de 945M) opgelost, aangezien deze qua features praktisch identiek zijn aan de nieuwste desktopversies. De prijzen van de dual-cores zullen echter ook aantrekkelijk zijn.

Ondanks het feit dat de begin 2006 verwachte processor in meerdere opzichten een grote upgrade is voor de Pentium M-serie, verschilt de core op zich niet denderend veel met die van Dothan. De dual-core Yonah heeft bijvoorbeeld maar 11,6 miljoen meer transistors aan boord dan de huidige generatie van single-cores. Geschat wordt dat de tweede core ongeveer even veel transistors in beslag neemt als Dothan (15 miljoen), maar dat er ondertussen enkele miljoenen transistors zijn bespaard in het voor dual-core geoptimaliseerde cache. Hoe dan ook zal de chip kleiner en dus goedkoper worden om te produceren dan de huidige 90nm-generatie. Een overzicht van de verwachte kloksnelheden en prijzen is hieronder te vinden:

Model	Klok	Cores	FSB	Cache	Prijs
x50	2,17GHz	2	667MHz	2MB	$636
x40	2,00GHz				$420
x30	1,83GHz				$295
x20	1,67GHz				$240
Low voltage
x48	1,67GHz	2	667MHz	2MB	$315
x38	1,50GHz	2	667MHz	2MB	$285
Ultra-low voltage
x43	1,67GHz	1	533MHz	2MB	$210
Celeron
4xx	?	1	533MHz	1MB	?

Met een korte blik op de prijzen van Dothan wordt duidelijk dat het dual-core prijsbeleid van Intel op mobiel gebied nog agressiever is dan dat in de desktoparena. Want hoewel Pentium D (die op de Extreme Edition na goed betaalbaar is) stiekem toch nog 48 tot 143 procent meer kost dan vergelijkbare single-cores, zijn de prijzen van Yonah op enkele dollars na gelijk aan die van de huidige Dothans met dezelfde kloksnelheid. Op het moment dat de chip uitkomt zal dat trouwens niet helemaal meer waar zijn: De prijzen van Dothan gaan volgende maand zakken omdat er nog een 2,26GHz-versie zal worden uitgebracht. Hoe dan ook wordt de tweede core niet iets voor een speciale luxe versie, maar komt hij gewoon 'gratis' bij de processor, zelfs bij de extra zuinige LV (16 watt) chips. Alleen de Celeron en ULV-chips (5 watt) blijven single-core.

One small step...

De notebookmarkt is niet de enige plaats waar men zuinige dual-coreprocessors zou kunnen gebruiken. Omdat Yonah geen ondersteuning heeft voor 64-bit extensies is hij nou ook weer niet direct geschikt voor echte high-end systemen, maar toepassing in lichtere servers zoals blades zou helemaal zo gek nog niet zijn. Volgens de geruchten ontwikkelt Intel precies voor dat doel een versie van Yonah onder de codenaam Sossaman. Deze chip zou qua features identiek zijn, maar in plaats van het huidige Socket 479 gebruikmaken van Socket 480. De extra pin schakelt de mogelijkheid in om twee Sossaman-processors op één moederbord te laten werken, iets wat Yonah zelf niet kan. Het zou de eerste keer zijn dat Intel een versie van de Pentium M officieel richt op een segment van de markt buiten de normale laptops. Om die eer zal Sossaman echter moeten racen met een mogelijke desktopversie van Yonah. Er gaan namelijk ook geruchten in het rond over een "Yonah EE", met een hoger TDP en daardoor ook een hogere kloksnelheid, mogelijk zelfs een goed eind richting de 3,0GHz. Van dit project - als het al bestaat - is geen codenaam bekend.

IDF 2005: Napa - Close-up met Yonah-processor

De doorbraak: Merom

We hebben tot nu toe gezien dat Intel met Yonah de eerste voorzichtige stapjes gaat doen om Netburst te vervangen, maar ook dat de chip nog veel te 'mobiel' is om daar heel serieus werk van te maken. Het ontwerp is bewust beperkt qua features en prestaties om maximale zuinigheid te garanderen, en hoewel het desondanks een zeer aantrekkelijk product lijkt te gaan worden, kan Yonah in absolute termen nog niet op tegen concurrenten die honderd of nog meer watts mogen verstoken. Het zal dan ook pas de generatie na Yonah zijn waarvan de introductie het definitieve einde van de Pentium 4-architectuur zal inluiden.

De vierde generatie Pentium M-core is wederom een volledig nieuw ontwerp, dat in scherp contrast met de eerste drie iteraties van de chip wél geschikt is om over de hele linie ingezet te worden: van de Merom voor notebooks tot de quad-core Xeon MP Whitefield, die zij aan zij met toekomstige Itaniums in high-end servers kan draaien. Het spreekt bijna voor zich dat de core 64-bits extensies en alle andere features die op dat moment in de Xeon zitten aan boord heeft, maar intern zit alles toch heel anders in elkaar. De pipeline is meer dan gehalveerd ten opzichte van Prescott (volgens geruchten heeft Merom tussen de 12 en 14 stappen), maar dat is slechts het eerste teken dat de ontwerpfilosofie heel anders is geweest. Prestaties per gigahertz hebben bovenaan op de prioriteitenlijst gestaan, dus ondanks het feit dat Merom net als Yonah een 65nm-chip is (en qua kloksnelheid dus in hetzelfde gebied zal liggen) zal hij beter presteren dan zijn voorganger. Dit zal waarschijnlijk op een aantal verschillende manieren gerealiseerd worden, maar omdat er nog geen officiële informatie beschikbaar is kunnen we daar nu slechts over speculeren.

Speculaties over Merom

AMD K5 Ten eerste zou de Merom-core de eerste 4-issue x86-processor worden sinds AMD in 1996 de K5 uitbracht. De zogenaamde 'issue width' van een processor is het aantal instructies dat hij per klokcyclus de pipeline in kan sturen. Ten opzichte van de huidige 3-issue Pentium en Athlon zou de core in theorie dus iedere klokcycle een extra instructie kunnen uitvoeren. Dit papieren voordeel wordt helaas wel beperkt door de keiharde realiteit, waarin instructies niet zomaar kris-kras door elkaar uitgevoerd kunnen worden, en er dus heel wat complexiteit nodig is om te zorgen dat alles wel goed gaat.

In de echte wereld voeren 3-issue processors gemiddeld rond de 1,3 instructie per cyclus uit. Met een 4-issue zal dat getal vast wel iets hoger komen te liggen liggen, maar een volle instructie per klok extra is niet realistisch. De complexiteit brengt als extra nadeel dat de kloksnelheid erdoor beperkt wordt en het stroomverbruik onherroepelijk omhoog gaat. Men moet dus erg goed oppassen dat de winst op het gebied van efficiëntie niet direct verloren gaat omdat het ding veel lager geklokt moet worden. Voor AMD gebeurde iets dergelijks wel; de K5 was relatief heet en kwam pas een vol jaar na de release van de 166MHz Pentium op een rating van PR166 aan, en dat was in 'echte' kloksnelheid nog maar 116MHz. Natuurlijk speelden ook een hoop andere factoren daarin een rol, maar feit is wel dat de opvolger K6 meteen weer een 3-issue ontwerp was, en dat noch AMD noch Intel zich sindsdien aan een 4-issue core heeft gewaagd. Nu kloksnelheid officieel oud nieuws is en zuinigheid weer in de schijnwerpers staat, zou de tijd er echter wel eens rijp voor kunnen zijn.

Iets anders waar Intel mogelijk aan werkt is een trace cache voor de Pentium M. Het trace cache werd in de Pentium 4 geïntroduceerd om de negatieve effecten van de lange pipeline te reduceren. Voor dat doel zou Merom het niet nodig hebben, maar Intel heeft de laatste jaren wel veel onderzoek gedaan naar andere nuttige toepassingen, waaronder het runtime optimaliseren van code. Dit idee is PARROT gedoopt (Power-Aware aRchitecture Running Optimized Traces). Kort samengevat worden delen van programma's die vaak voorbij komen automatisch geoptimaliseerd, waardoor de processor iedere klokcycle tot 17% meer werk kan uitvoeren.

Een derde belangrijke toevoeging die we wellicht terug gaan zien in Merom is een techniek die voor het eerst zal worden toegepast op de Itanium Montecito: Foxton. Deze feature kan het stroomverbruik van een chip per klokcyclus meten én aanpassen. Noem het dynamisch overklokken, maar dan letterlijk miljoenen keren per seconde en aangepast aan de actuele omstandigheden. Met Foxton aan levert een processor altijd de maximale prestaties binnen een bepaald (dynamisch in te stellen) vermogenbudget. Normaal moet bij het vaststellen van de TDP en kloksnelheid van een processor rekening gehouden worden met de absolute worst-case scenarios. Voor de rest van de applicaties - en dat zijn er natuurlijk veel meer - zit de chip dan ook niet op zijn volle potentieel. Met Foxton ingeschakeld zal echter ieder laatste beetje performance uit de core geperst kunnen worden.

Roadmap

Er worden verschillende versies van Merom verwacht. Eind 2006 komt er eerst een dual-core versie voor laptops met een kloksnelheid rond de 2,5GHz. Volgens recente geruchten zullen de eerste samples van deze chip komende maand al uit de fabriek terugkomen. Hoewel de mobiele versie volgens verschillende bronnen een maximaal verbruik van 45 watt heeft, moet het wel heel gek lopen als Yonah wel een core kan uitschakelen en Merom niet. Met een versie van Foxton aan boord zou trouwens ieder gewenst verbruik ingesteld kunnen worden: Hoewel de techniek in het geval van de Itanium nooit een lagere kloksnelheid zal instellen dan op de verpakking staat aangegeven, zou dat voor een laptop die afhankelijk is van een batterij juist ideaal zijn. De gebruiker (danwel het OS) zou op die manier meer zeggenschap kunnen krijgen over het verbruik van de processor dan ooit te voren.

De desktopversie van Merom draagt de codenaam Conroe. Behalve de min of meer door Intel bevestigde geruchten over een 60 watt TDP en het feit dat hij ook twee cores heeft is daar echter niets over bekend. Dan is er nog een serverversie met de codenaam Woodcrest, maar die is zo mogelijk nog vager. Wel redelijk veel in de aandacht geweest is de laatste telg van de familie: Whitefield. Deze quad-core Xeon is voorzien van een aantal onboard FB-DIMM geheugencontrollers en ruilt bovendien de normale FSB in voor point-to-point interconnects gebaseerd op PCI Express. Dit wordt ook CSI (Common System Infrastructure) genoemd. Eerst was er nog sprake van dat deze nieuwe infrastructuur door de hele Merom-generatie zou worden gebruikt, maar om de chips eerder dan eigenlijk was gepland op de markt te krijgen zou dat plan inmiddels van de baan zijn. CSI zou wel terugkomen in de generatie na Merom: Nehalem. Daarover meer op de volgende pagina.

Verre toekomst

Na Merom komt Nehalem. Deze core is nog niet in het stadium dat er al aparte codenamen zijn bedacht voor de verschillende processors waar hij uiteindelijk in gebruikt zal worden (met uitzondering van de Xeon MP, waarschijnlijk omdat die qua infrastructuur extra werk vereist en dus al een eigen team heeft). De oude rotten onder ons kennen de codenaam Nehalem al uit een grijs verleden, toen Intel nog dacht de 10GHz te kunnen bereiken met de opvolger van Tejas. De 'nieuwe' Nehalem lijkt echter in de verste verte niet op het monster met een pipeline van vijftig stappen dat eerst beloofd werd. Nehalem is nu de opvolger van Merom, een zeer soortgelijke core, maar dan voorzien de eerder beschreven CSI-infrastructuur. On-board geheugencontrollers en geen FSB meer dus.

Net als Merom moet Nehalem de hele markt van onder tot boven kunnen bedienen. In 2007 zouden we de eerste versies kunnen verwachten, in eerste instantie op 65nm, maar daarna zo snel mogelijk over naar 45nm. Nehalem zou zijn ontworpen om qua aantal cores goed door te schalen, van 1 tot 32 per chip. Vage geruchten spreken over desktopversies met vier cores en kloksnelheden rond de 3GHz.

Conclusie

Hoewel de informatie over de Merom-generatie nog erg mistig is, en die over Nehalem op zijn minst twijfelachtig, kunnen we vrij zeker zijn over de specificaties van Yonah en de koers die Intel voor de toekomst gezet heeft. In dit artikel is beschreven welke technieken het bedrijf zal of zou kunnen toepassen om in de toekomst een aantal nieuwe generaties van zuinige, goedkope en vooral krachtige processors te gaan leveren. Of dit ook allemaal daadwerkelijk gaat lukken valt nog te bezien, maar de wil en het potentieel zijn in ieder geval aanwezig. Op dit moment nemen notebooks meer dan de helft van de pc-markt voor hun rekening, en kan Intel ondanks zijn overvloed aan fabrieken nauwelijks voldoen aan de vraag naar de Pentium M. Als de toekomstige desktop- en serverversies even populair worden dan gaat het bedrijf goede tijden tegemoet. De koerswijziging die daarvoor nodig is zal nog minstens een jaar of anderhalf duren om te voltooien, maar de tekenen dat hij onderweg is worden steeds beter zichtbaar.

"When we look at future roadmaps, mid-2006 and beyond, we see PowerPC gives us 15 units of perfomance per watt, but Intel's roadmap gives us 70. And so this tells us what we have to do." - Steve Jobs, CEO Apple

	Mobiel	Desktop	Xeon DP	Xeon MP
2003	Banias	-
2004	Dothan	-
2006	Yonah	Yonah EE?	Sossaman	-
2006/7	Merom	Conroe	Woodcrest	Whitefield
2007/8	Nehalem			Dunnington