Dothan

Em 2004 foi lançado o Pentium-M com core Dothan, equipado com 2 MB de cache L2, melhorias no circuito de branch prediction (que minimiza a perda de tempo com operações de tomada de decisão), um reforço nas unidades de execução de inteiros e melhoria no acesso aos registradores. Combinadas, estas melhorias resultaram num ganho real de cerca de 8% em relação a um Banias do mesmo clock.

O Pentium M com core Dothan atingiu 2.0 GHz (Pentium M 755), com um consumo de apenas 21 W, menos que o Banias de 1.5 GHz. Esta nova rodada de benchmarks (de 2004) mostra o Dothan de 2.0 GHz concorrendo com o Athlon 64 3000+ e o Pentium 4 de 3.2 GHz. Apesar da diferença no clock, o Pentium 4 consegue se sobressair apenas em processamento 3D e compressão de vídeo; perde feio em games e nos demais aplicativos:
http://www.anandtech.com/showdoc.aspx?i=2129&p=8

Como de praxe, foi lançado também uma versão do Celeron baseada no Dothan, o Celeron-M, que se tornou bastante comum nos notebooks de baixo custo. Ele é castrado de duas formas, a fim de não concorrer diretamente com o Pentium-M: vem com metade do cache e vem com o suporte ao gerenciamento de energia desativado, fazendo com que o processador trabalhe sempre na freqüência máxima, desperdiçando energia e reduzindo a autonomia das baterias, como comento aqui.

Aproveitando o baixo consumo do Dothan, a Intel desenvolveu o Yonah, um processador dual-core para notebooks, produzido usando uma técnica de 0.065 micron. O Yonah original passou a ser vendido sobre a marca “Core Duo”, enquanto uma versão de baixo custo, com um único core assumiu a marca “Core Solo”.

Assim como o Dothan, o Yonah possui 2 MB de cache L2. Entretanto, ao invés de ser dividido entre os dois cores (1 MB para cada um), o cache é compartilhado, permitindo que ambos os cores acessem os mesmos dados, evitando assim duplicação de informações e desperdício de espaço. Nos momentos em que o processador está parcialmente ocioso, o segundo core pode ser completamente desligado (para economizar energia), deixando o primeiro core com um cache de 2 MB inteiramente para sí.

A desvantagem do cache compartilhado é que ele aumenta o tempo de latência: são necessários 14 ciclos para acessar alguma informação no L2 do Yonah, contra 10 ciclos do Dothan. Apesar disso, o Yonah possui dois cores, o que acaba compensando a diferença e proporcionando um bom ganho em relação ao Dothan. Outro pequeno ganho é proporcionado pela inclusão das instruções SSE3.

Um processador dual core melhora bastante a responsividade do sistema ao executar várias tarefas simultaneamente, já que os processos podem ser divididos entre os dois cores, porém faz pouca diferença ao rodar aplicativos leves. Porém, hoje em dia é comum deixarmos muitos programas abertos simultaneamente, sem falar nos processos em background, o que faz com que um processador dual-core realmente proporcione uma melhora significativa, embora a maioria dos benchmarks não mostrem isso, já que simulam o uso de um único aplicativo.

Você pode ver alguns benchmarks do Yonah, comparado com o Dothan (representado pelo Pentium M 760, ambos a 2.0 GHz) e os Athlon 64 X2 aqui:
http://www.anandtech.com/showdoc.aspx?i=2648&p=6

O Yonah inclui um sistema de gerenciamento de energia bastante agressivo, que desliga partes do processador ociosas, mantendo apenas um dos cores ativos em momentos de pouca atividade. Isso faz com que o consumo médio de um Core Duo, em tarefas leves, não seja muito diferente de um Core Solo do mesmo clock, o que acaba juntando o melhor dos dois mundos.

Ao executar tarefas pesadas, um Core Duo de 2.0 GHz consome 31 watts, contra 21 watts do Dothan do mesmo clock. Ou seja, mesmo com os dois cores ativos, o consumo aumenta menos de 50%, muito longe de dobrar, como seria de se esperar.

O departamento de marketing da Intel passou então a falar em “eficiência” ao invés de freqüências de clock mais altas. Os planos frustrados de lançar um processador de 10 GHz baseado no Pentium 4 foram varridos para debaixo do tapete e a meta passou a ser lançar processadores que executem mais processamento com menos energia, exacerbando os pontos fortes dos processadores Core Solo e Core Duo, baseados no core Yonah.

Este slide do IDF 2006 dá uma amostra do novo discurso. Ele mostra como a eficiência energética (o volume de eletricidade necessária para processar cada instrução) dos processadores vinha caindo desde o Pentium, atingindo seu nível mais baixo com o Pentium 4 Dual Core, até a introdução do Banias, Dothan e Yonah; uma posição pouco honrosa para o Pentium 4, que (segundo a própria Intel) precisa de 5 vezes mais eletricidade para fazer o mesmo trabalho:

Chegamos então à novidade de hoje, que é o lançamento do Core 2 Duo, baseado no core Conroe, também de 0.065 micron. Existem algumas mudanças de arquitetura em relação ao Yonah, mas a mudança mais significativa é que o Yonah é um processador destinado a notebooks, produzido em quantidades limitadas, enquanto o Conroe é um processador para desktops, que será produzido em massa, substituindo os processadores Pentium D e Celerons baseados no Pentium 4. A nova arquitetura é genericamente chamada de “Core” (que é tanto o nome código, quanto o nome comercial), enquanto a arquitetura do Pentium 4 é chamada de “NetBurst”.

Sim, o Pentium 4 é coisa do passado. Versões com 4 cores, ou clock mais alto estão fora de questão e, mesmo uma eventual versão de baixo custo parece improvável. Para completar, as versões existentes receberam uma forte redução de preço.

Esta é a tabela de preços de lançamento, divulgada pela Intel, que entra em vigor a partir de 23/07/2006 (estes são os valores para lotes de 1000 processadores, vendidos a integradores; os preços para o consumidor final são sempre um pouco mais altos e no Brasil temos ainda a questão da importação e impostos):

Intel Core 2 Extreme X6800 2.93GHz 4MB $999
Intel Core 2 Duo E6700 2.66GHz 4MB $530
Intel Core 2 Duo E6600 2.40GHz 4MB $316
Intel Core 2 Duo E6400 2.13GHz 2MB $224
Intel Core 2 Duo E6300 1.86GHz 2MB $183
Intel Pentium D 945 3.40GHz 2MBx2 $163
Intel Pentium D 915 2.80GHz 2MBx2 $133
Intel Pentium D 820 2.80GHz 1MBx2 $113
Intel Pentium D 805 2.66GHz 1MBx2 $93

O Pentium D 945 é um processador dual-core, baseado no core Presler, um monstro de 376 milhões de transistores e 162 mm², que é muito mais caro de se produzir que o Core 2 Duo E6300, uma versão do Conroe com apenas 2 MB de cache e 1.86 GHz. Mesmo assim, ele passou a ser vendido mais barato, seguido pelos Pentium D mais lentos, chegando a apenas 93 dólares pelo Pentium D 805, que virou processador entry-level. Este tipo de redução de custo só ocorre quando uma empresa descontinua a produção e quer se livrar do estoque rapidamente.

Um Pentium D 820 por apenas US$ 113 pode parecer uma pechincha, mas lembre-se de que ele consome quase 130 watts, o que vai obrigá-lo a gastar muito mais no cooler e a pagar uma “taxa” mensal adicional na conta de luz, em troca de um desempenho mediocre. Em comparação, o Duo E6700 consome um máximo de 65 watts e o Extreme X6800 um máximo de 75 watts. As versões mais lentas consomem proporcionalmente menos, acompanhando a redução do clock.

Os Core 2 Duo também oferecem suporte ao SpeedStep (como nos Pentium-M), que ajuda a reduzir o consumo para níveis ainda menores, sem prejudicar de forma perceptível o desempenho. Como o SpeedStep ativado, o processador reduz a freqüência de operação e a tensão (diminuindo consideravelmente o consumo), mas volta ao clock máximo assim que é executada alguma tarefa pesada. No Extreme X6800, por exemplo, o processador trabalha nativamente a 2.93 GHz e usa 1.28v. No modo de economia, a freqüência cai para 1.6 GHz e a tensão para apenas 0.9v, resultando num consumo de apenas 25 watts, similar ao de um Pentium III 900.

Temos aqui uma foto do Conroe, antes do encapsulamento do processador, divulgada pela Intel. Na verdade, as versões com 2 e 4 MB de cache são idênticas, porém as de 2 MB tem metade do cache desativado antes do encapsulamento, como nos Celeron:

Este teste compara o consumo de máquinas com o Core 2 Duo, Pentium D e Athlon 64, com e sem o gerenciamento de energia ativado. Note que, no teste, o PC com o Duo E6600 consome apenas 199 watts em full load, enquanto o PC com o Pentium D 840 atinge 344 watts:
http://www.tomshardware.com/2006/07/14/core2_duo_knocks_out_athlon_64/page3.html

A primeira novidade do Conroe em relação ao Yonah é justamente essa: a existência de versões com 2 e 4 MB de cache, que são compartilhados entre os dois cores, ao invés de cada um possuir sua metade independente como no Pentium D e Athlon X2. A segunda é o forte aumento no clock, com versões de até 2.66, além do Extreme X6800, que opera a 2.93 GHz e vem com o multiplicador destravado, permitindo que seja overclocado facilmente.

O TomsHardware afirma ter conseguido estabilidade a 3.472 GHz (com o Extreme X6800) e completar boot com o processador overclocado para 3.739 GHz (!), embora sem estabilidade suficiente para rodar benchmarks:
http://www.tomshardware.com/2006/07/14/core2_duo_knocks_out_athlon_64/page9.html

O Anandtech conseguiu 3.6 GHz com o X6800 e 3.4 GHz com o X6700, em ambos os casos mantendo a estabilidade. O X6700 chegou a ser overclocado para 3.9 GHz (!!) e o E6600 atingiu 4.0 GHz (!!!), com o bus a 1779 MHz (455 MHz x 4) e o multiplicador travado a 9x, um overclock de 67%:
http://www.anandtech.com/cpuchipsets/showdoc.aspx?i=2795&p=18

Para não dizerem que é conto da carochinha, postaram um screenshot do CPU-Z e do teste do Super PI executado com sucesso:

O Core 2 Duo utiliza o mesmo encapsulamento e o mesmo soquete LGA775 usado pelo Pentium D, conservando compatibilidade com placas recentes, que suportem o barramento de 1066 MHz (266MHz com 4 transferências por ciclo) e as tensões utilizadas. Muitas placas 775 poderão ser atualizadas via upgrade de BIOS, mas não espere nenhuma compatibilidade com as antigas placas soquete 478.

O Conroe não inclui nenhum tipo de controlador de memória integrado. Esta continua sendo uma exclusividade do Athlon 64 e sua principal arma, reduzindo de forma substancial o tempo de acesso à memória, o que reduz a pressão sobre os caches. O Athlon 64 também possui 128 KB de cache L1 (64k dados + 64k instruções), o dobro do Conroe, que possui apenas 64k.

Em compensação, o cache L1 do Conroe trabalha com 8 linhas de associação, contra apenas duas do Athlon 64. Isso torna o cache mais eficiente, aumentando a probabilidade da informação necessária ser encontrada. A segunda vantagem é o massivo cache L2, que além de maior, é acessado através de um barramento de dados de 256 bits, muito mais largo que o usado no Athlon 64 (que usa um barramento de 128 bits). Uma observação é que o Conroe voltou a utilizar um cache L1 tradicional, sem vestígios do “trace cache” usado no Pentium 4, que armazenava instruções decodificadas.

O bus de 1066 MHz também ajuda a reduzir a latência do acesso à memória, reduzindo a vantagem do Athlon 64 neste quesito.

Muitas das melhoras estruturais do Conroe em relação ao Pentium 4 e processadores anteriores da Intel já estavam disponíveis no Dothan e Yonah, mas vou abordá-las em conjunto para simplificar a abordagem.

Uma das melhoras mais significativas é o recurso batizado de Macro-fusion, que permite que diversos pares de instruções comuns sejam combinados em uma única instrução, ao invés de serem processados separadamente. Isto causa um efeito cascata, economizando espaço nos buffers, economizando processamento no agendador de instruções (scheduler), e assim por diante, resultando num ganho bruto de até 11%.

O Conroe possui 3 decodificadores de instruções simples e mais um decodificador de instruções complexas, 4 no total. Graças ao Macro-fusion, uma grande quantidade de instruções são combinadas (um par em cada 10 instruções, segundo os engenheiros da Intel), permitindo que em quase metade dos ciclos sejam decodificadas 5 instruções. O Athlon 64 possui apenas 3 decodificadores, capazes de lidar tanto com instruções simples (as mais comuns), quanto com instruções complexas. Isso significa que, na maior parte do tempo, os 4 decodificadores do Conroe levam uma grande vantagem, mas em alguns aplicativos que utilizem predominantemente instruções complexas, o Athlon 64 pode se sair melhor.

O Conroe leva uma grande vantagem também ao processar instruções SSE de 128 bits, pois é capaz de processá-las diretamente, num total de 3 instruções completas por ciclo. O Athlon 64 também possui três unidades SSE, mas nele cada instrução SSE precisa ser dividida em duas instruções de 64 bits, que são processadas separadamente. Ou seja, na prática, o Athlon 64 processa apenas uma instruções SSE e meia por ciclo.

Isso acentua a vantagem do Conroe em aplicativos muito otimizados para as instruções SSE, como programas de processamento de vídeo e alguns games. Só para efeito de comparação, o Pentium 4 possuía apenas duas unidades SSE, que, como as do Athlon 64, eram capazes de processar apenas meia instrução por ciclo. Ou seja, o Conroe possui três vezes mais processamento bruto em SSE que o Pentium 4.

Outro reforço são as unidades de ponto flutuante (o coprocesador aritmético, para quem é das antigas) capazes de processar 4 instruções de dupla precisão por ciclo, contra apenas 3 por ciclo do Athlon 64.

Foi mantido o suporte ao EM64T, que torna o Conroe compatível com os sistemas e aplicativos de 64 bits, desenvolvidos para o Athlon 64. Foi incluído também o Intel VT, um recurso de virtualização via hardware, que será aproveitado pelas próximas versões do VMware, Virtual PC e outros virtualizadores, para melhorar o desempenho e reduzir o overhead ao rodar várias máquinas virtuais simultaneamente.

Você deve se lembrar do pipeline de 31 estágios do Pentium 4 com core Prescott. Sempre que o processador chega a uma operação de tomada de decisão, ele precisa esperar a conclusão do processamento da primeira instrução (o que, no Prescott, demora 31 ciclos) para saber quais instruções deve processar em seguida. Para não ficar parado, o processador utiliza o circuito de branch prediction, que escolhe o caminho mais provável, permitindo que o processador vá “adiantando o trabalho”. O problema é que, sempre que é feita a escolha errada, todo o trabalho precisa ser descartado, causando uma grande perda de tempo.

O Conroe possui um pipeline de apenas 14 estágios, e um circuito de branch prediction muito aprimorado em relação ao Pentium 4. Isso faz com que ele tome bem menos decisões erradas e perca muito menos tempo (menos da metade do número de ciclos) em cada um, gerando uma grande aumento no número de instruções efetivamente processadas por ciclo de clock.

O mais interessante é que, apesar de possuir apenas 14 estágios e ser muito mais eficiente, o Conroe já atingiu 2.96 GHz logo no lançamento, se aproximando das freqüências atingidas pelo Pentium 4 e superando por uma boa margem o clock dos Athlon X2.

Durante Maio e Junho, a Intel distribuiu vários processadores e placas para review, porém sob um NDA que impedia a divulgação de detalhes sobre eles e benchmarks. Quando o NDA expirou, vários sites publicaram reviews ao mesmo tempo. Você encontra um conjunto exaustivo de benchmarks nos links abaixo:

http://techreport.com/reviews/2006q3/core2/index.x?pg=3

http://www.anandtech.com/cpuchipsets/showdoc.aspx?i=2795&p=3

http://www.xbitlabs.com/articles/cpu/display/core2duo-e6300_9.html

http://www.firingsquad.com/hardware/intel_core_2_performance/page4.asp

http://www.tomshardware.com/2006/07/14/core2_duo_knocks_out_athlon_64/page11.html

Como era de se esperar, o Athlon X2 continua levando vantagem no acesso à memória, tanto em latência quanto em taxas de transferência, graças ao controlador de memória integrado. Mas, o enorme cache L2 do Conroe, combinado com as demais melhorias na arquitetura fazem com que ele acabe levando a melhor em quase todos os benchmarks. O que chama mais a atenção é a consistência: ele apresenta um desempenho equilibrado em quase todas as tarefas, sem os altos e baixos do Pentium 4, que se saía muito bem em algumas tarefas e muito mal em outras.

O Athlon 64 FX-62 ainda consegue ser competitivo, em alguns dos testes, mas os Athlon X2 perdem quase sempre por uma boa margem, até por que, o Core 2 Duo trabalha a freqüências de clock maiores.

Os Pentium D ficam na lanterna em quase todos os testes, com o 965 Extreme Edition perdendo para o Core 2 Extreme X6800 por uma margem de 40 a 60% em quase todos os testes e esboçando alguma reação apenas no Photoshop, Sysmark 2004, Sandra e em alguns benchmarks envolvendo compressão de audio e vídeo.

Em alguns testes, a desvantagem chega a ser maior: o Core 2 Duo Extreme X6800 chega a ser 100% mais rápido que o Pentium XE 965 no game Rise of The Legends.

Naturalmente, o Extreme X6800 é muito caro para ser considerado na hora da compra, mas os Duo E6300 e E6400 apresentam um bom custo benefício em relação aos Athlon X2, mesmo desconsiderando as possibilidades de overclock.

Os 4 MB de cache incluídos no E6600 em diante são responsáveis por um aumento de apenas 3 a 4% no desempenho em relação às versões com 2 MB. O resto da diferença é proporcionada pelo aumento no clock. Ou seja, enquanto a diferença de preço for grande, os Core 2 Duo com 2 MB oferecem um melhor custo benefício.

O Conroe representa uma reviravolta para a Intel, que volta a ter em mãos um processador mais eficiente, para o qual a AMD ainda não possui resposta. Mas, isso não significa que o jogo esteja terminado. Embora o Athlon X2 não seja mais o processador mais rápido, resta à AMD reduzir suas margens de lucro e voltar a vender seus processadores mais barato, como fazia no passado. Por enquanto, o Core 2 Duo é ainda um processador high-end, por isso, a curto prazo pouca coisa muda no mercado de processadores de baixo custo, onde a AMD possui uma forte presença com o Sempron.

A partir de 2007, devemos ver o lançamento de uma versão single-core, que utilizará o core “Millville” (uma versão simplificada do Conroe) e será vendida sob a marca Core Solo, como um processador de baixo custo.

Tudo indica que o Millville substituirá os Celerons nas posições mais baixas das tabelas de preços, mas por enquanto nada está confirmado. Ao ser lançado, o Core Solo concorrerá com o Sempron e as versões baratas do X2, possivelmente oferecendo boas margens de overclock. Quem não se lembra dos Celerons de 366 e 600 MHz, que suportavam 50% de overclock com estabilidade? ;).

Um fator importante a se lembrar é que todos os processadores AMD são ainda produzidos numa técnica de 0.09 micron, enquanto a Intel já trabalha com processadores de 0.065 micron desde o Yonah e o Cedar Mill. Embora transistores menores não signifiquem mais um grande aumento de clock, como no passado, eles representam uma grande redução no tamanho físico do processador e custo de produção.

Quando finalmente migrar para os 0.065 micron, a AMD terá a chance de responder com uma versão aperfeiçoada do Athlon X2, aproveitando para adicionar mais cache e outras melhorias, ou simplesmente aproveitar a redução no custo de produção para baixar os preços e melhorar a relação custo-benefício de seus processadores.

Ninguém pode prever o futuro, mas o lançamento do Conroe é uma ótima notícia para quem pretende trocar de micro em 2007, pois levará a uma forte redução de preços do lado da AMD e ao lançamento de processadores mais competitivos, eficientes e com maior margem de overclock do lado da Intel. Quanto mais acirrada a concorrência entre os dois, melhor para nós ;).