Portafolios para AGM: Tema 2.g: Análisis de una arquitectura de procesador de propósito general; el FX-8150 de AMD

En el artículo de hoy vamos a analizar la arquitectura del procesador FX-8150 Black Edition de AMD.

Sus características son:

- Presume de ser el primer procesador para ordenadores de sobremesa que dispone de 8 núcleos.
- Está basado en el socket AM3+ (tipo de interconexión con la placa base).
- Cada núcleo está desbloqueado de fábrica para permitir el overclock con el software propio de AMD OverDrive.
- Cada núcleo funciona de forma nativa a 3.6 GHz y se puede overclockear hasta 4.2 GHz.
- Tecnología de fabricación de 32 nm SOI (Silicon On Insulator) fabricado por GLOBAL FOUNDRIES en Dresden, Alemania.
- Tecnología AMD Turbo Core que aumenta automáticamente el rendimiento del procesador.
- Jerarquía de memoria: L1=128 Kb por núcleo dividido en 64Kb para instrucciones y 64 Kb para datos, L2=1 Mb por núcleo, L3=8 Mb compartida por los 8 núcleos. En total: L1=1Mb, L2=8 Mb, L3= 8Mb.
- Tecnología HyperTransport: hasta 4000 MT/s en full dúplex, o hasta 16 Gb/s ancho de banda de entrada/salida.
- Controlador de memoria integrado de 128 bits que soporta hasta DDR3 a 1866 MHz. Con un ancho de banda de hasta 21 Gb/s en doble canal.
- Trabaja en condiciones de máximo funcionamiento a 61ºC con un consumo de 125 W.
- Cada núcleo de este procesador se llama Bulldozer o Zambezi.

Hasta aquí la información disponible para el público en general, pero distintos sitios de internet que se dedican a hacer comparativas tienen datos tanto de las presentaciones comerciales de AMD como de sus propias observaciones sobre el procesador. Una de las cosas que más ha llamado mi atención es que cuando AMD dice “8 núcleos” hay que prestar mucha atención a las comillas…

¿Qué es un núcleo? De acuerdo a lo que dice AMD, un core es cualquier sistema que tenga sus propios cauces de ejecución para enteros. Y hace muy bien en decir esto, al menos si quiere vender su modelo de procesador Bulldozer basado en 4 módulos compuestos de dos “seminúcleos” cada uno. El esquema real de un módulo del procesador FX-8150 es el del gráfico siguiente.

Aquí podemos ver claramente que el núcleo de cada módulo tiene una unidad de enteros exclusiva pero comparte la de coma flotante y la caché de nivel 2. Eso no se publicitaba en la página oficial.

Esta arquitectura presenta sus ventajas, ya que tiene mayor escalabilidad y predictibilidad que la solución de Intel de dos hilos de ejecución por núcleo (Hyperthread). La impresión general es que es un núcleo más versátil con capacidad de aprovechar muy bien las tareas que puedan repartirse entre varios núcleos pero con un peor rendimiento en general y en particular para aplicaciones monotarea.

En los sistemas operativos actuales, el FX-8150 aparece como 8 procesadores, análogamente un Dual Core de Intel de dos núcleos con Hyperthreading representa cuatro núcleos para el sistema operativo. Sin embargo Windows 7 maneja perfectamente la carga de trabajo con los Hyperthreaded pero para el Bulldozer sólo distribuye tareas entre los módulos, no entre los cores. Con ello la adaptabilidad del FX-8150 se ve seriamente mermada.

Estas y otras circunstancias van a hacer que en los benchmarks el procesador de AMD quede normalmente por detrás de sus principales competidores de Intel y, paradójicamente, que procesadores anteriores de AMD teóricamente inferiores o con menos núcleos (aunque como hemos visto puede que estemos comparando peras con manzanas al corresponder los núcleos a arquitecturas muy distintas en concepto).

De la información comercial de AMD también se puede extraer la siguiente imagen que nos da idea de algunas de las ideas que se han implementado para este procesador:

Las etapas de IF e ID (Instruction Fetch e Instruction Decode) son comunes para ambos núcleos de cada módulo, AMD usa multithreading entrelazado para controlar el identificador de cada instrucción en curso, decidir qué hilo necesita seguir avanzando, y realizar las operaciones de ese hilo. Es capaz de cambiar entre cada hilo a cada ciclo de reloj para compensar la ejecución de ambos hilos.

AMD desliga el predictor de saltos de la etapa IF permitiéndole que se adelante independientemente de cualquier retraso que se pueda producir en el cauce. Esto le permite a AMD, según sus propias palabras, implementar una característica llamada “prediction-directed instruction prefetch” (precarga de instrucciones basada en los resultados de las predicciones) que según ellos aumenta mucho la tasa de acierto y la eficiencia energética.

Existen cientos de páginas de comparativas entre distintos programas usados para hacer el benchmarking y no tiene sentido reproducir todas, ni siquiera un extracto. Puestos a quedarnos cortos y siempre en aras de simplificar y hacer el artículo más interesante y educativo pongo a continuación la que a mí me resulta más interesante: la comparativa para el juego Resident Evil 5 que salió oficialmente en Marzo de 2009.

Los resultados son descorazonadores y mirando por internet el resto de ejemplos, casi sin excepción, abunda en resultados similares. La impresión que me queda después de ver varias comparativas es que el FX-1850 está adelantado a su tiempo y los desarrolladores de sistemas operativos y software multimedia todavía no son capaces de sacar provecho de su arquitectura. Sin embargo desde mi punto de vista AMD ha hecho una apuesta de futuro que si bien puede no salir bien económicamente podría dar una grata sorpresa en los próximos años ya que parece analizar bien las tendencias de las plataformas venideras.

Como último punto indicar que este es un producto que sale para un mercado muy específico en el que prima la relación rendimiento/tiempo en vez del rendimiento puro. Para ese target AMD logra unos precios muy ajustados que hacen su producto más competitivo de lo que podía parecer un principio. A día de hoy su precio ronda los 200 Euros mientras que los que le quedan justo por debajo y por encima en rendimiento de Intel oscilan entre los 210 y los 300 Euros respectivamente.

Bibliografía:

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