1) Inleiding

Sinds de introductie van de Athlon, kwam AMD
onder de schaduw van Intel vandaan en was het weer zonneschijn voor de
chipbakker.

De K7-architectuur zorgde ervoor dat AMD niet
meer tot de low-budget fabrikanten behoorde, maar stevig kon concurreren met de
jarenlange marktleider: Intel.

Al na een tiental maanden na de introductie
van deze krachtpatser, begon AMD terug winst te boeken. Zo goed zelfs, dat men
de verliezen van de voorgaande jaren kon compenseren.

Uiteraard bleef AMD niet bij de pakken zitten
en kondigde omstreeks de herfstperiode van 1999 het bestaan aan van het
Hammer-project. Ze wilden het X86-platform uitbreiden met 64-bit instructies.
Iets wat de oorspronkelijke ontwikkelaar, Intel, jarenlang geweigerd had.

2) AMD?s 64 bit technologie

Het belangrijkste van de hele reeks
uitbreidingen, is zonder twijfel de 64-bit instructieset: x86-64. Een door AMD
ontwikkelde uitbreiding op de aloude instructieset van Intel.

2.1) Nadelen van de huidige 32-bit
technologie

Deze ontwikkeling blaast nieuw leven in het
x86-platform. Huidige x86-cpu?s hebben als grote nadeel dat deze niet meer dan
4GB kunnen adresseren, gaande van 00000000h tot FFFFFFFFh. Als men weet dat
hedendaagse servers al uitgerust zijn met 2GB tot 4GB geheugen, dan beseft men
al gauw dat men tegen de limieten zit van de huidige 32-bit technologie. De
AMD-64 familie is uitgerust met een 40-bit fysieke adresruimte waardoor de cpu
tot 1TB (= 1024GB! ) kan adresseren.

2.2) Nieuwe mogelijkheden met 64 bit

Intel had deze problemen al vroeger voorzien
en lanceerde een cpu met een totaal andere instructieset: de Itanium en IA-64.
Deze architectuur werd ontwikkeld door Intel en HP en werd gelanceerd in 2001.
Echter was er 1 groot nadeel verbonden met deze cpu: incompatible met de x86-32
instructieset. De cpu kan enkel door middel van emulatie een x86-32 programma
runnen, maar dit ten koste van de snelheid. Veel bedrijven moesten hun software
dan ook porten naar dit nieuwe platform. Hedendaags kent de Itanium dan ook
maar een klein succes in de high-end servermarkt. Verwacht wordt dat de
Itanium? hier meer verandering kan brengen.

AMD aanschouwde deze problematiek en kwam dus
met de oplossing om het groot gat tussen de x86 en IA-64 instructiesets op te
vullen: haar eigen 64-bit uitbreiding. Hiermee heeft men dus de eerder
beschreven voordelen van een 64-bit cpu, maar men blijft de compatibiliteit
behouden met de oudere cpu?s zonder prestatieverlies.

2.3) 2 operationele modi

De Athlon64 kan haar werk doen in 2 modi:
Legacy mode (ook wel compatibility mode genoemd) en Long mode.

In de Legacy mode kan de cpu zowel omgaan met
32-bit als 64-bit programma?s, zonder verlies van prestaties.

In de Long mode werkt de cpu in pure 64-bit
mode. Hierbij zijn ook extra registers beschikbaar en worden de
standaardregisters uitgebreid naar 64-bit.

3) Hypertransport

3.1) Een nieuwe interconnect

Essentieel voor de nieuwe Athlon 64 familie,
is hun nieuwe aansluitstandaard: Hypertransport. Deze interconnect werd tesamen met het Hammer project gelanceerd. Het is een seri?le pakketinterface
waarop verschillende I/O componenten hun data kunnen verzenden en ontvangen.

Deze interconnect standaard wordt ontwikkeld
door het Hypertransport Technology Consortium, een vereniging van verschillende
bedrijven die gebruik willen maken en het verder ontwikkelen van deze
technologie. Bekende leden van deze organisatie zijn Apple, Cisco, Nvidia,
Silicon Graphics, Transmeta,? Aangesloten leden mogen deze technologie dan kosteloos
importeren in hun producten.

3.2) Weg met de bottlenecks

De reden waarom Hypertransport ontwikkelt
werd, ligt in het feit dat huidige systemen veelal last hebben van
verschillende bottlenecks. Onderling communiceren verschillende I/O onderdelen
met elkaar aan een veel tragere snelheid dan dat de cpu zelf kan verwerken.

?

Fig 3.2: klassieke
opstelling chipset

Bekijken we een klassieke opstelling zoals in
figuur 3.2:

Alle data afkomstig van de Southbridge moet
via de PCI bus (133MB/s) passeren. Bij een te hoge bezetting van deze bus, zakt
de algemene prestatie van het systeem. Verschillende chipsetfabrikanten
proberen deze bottlenecks te verminderen door allerlei snelheidsverhogingen
door te voeren in hun eigen bussystemen zoals V-Link, MultIoL,?. Echter nam de
complexiteit enorm toe bij een minieme snelheidswinst.

3.3) Nieuwe componenten

Nu komt AMD aanzetten met hun eigen universele
oplossing. Ze hebben o.a 3 componenten ontwikkelt die aangesloten worden op een
Hypertransport-interface: de AMD-8111 I/O hub, AMD-8131 PCI-X tunnel en de
AMD-8151 AGP3.0 tunnel.

Fig. 3.3:

Gebieden waar de
prestaties werden verbeterd:

1)
De frontside bus:

Voor
optimale prestaties, moet de FSB bandbreedte evenredig stijgen met de stijgende
bandbreedte van de cpu. De K7-familie had een beginnende bandbreedte van
2.1GB/s. Door deze frontside bus te vervangen door een hypertransport-link
heeft men hier nu een bandbreedte van 6.4GB/s wat in de toekomst verhoogt zal
worden naar 12.8GB/s

2)

De geheugen-interface:

Door
de directe geheugeninterface, staan geheugen en processor in directe verbinding
met elkaar. Hierdoor daalt de latency (=vertragingstijd) enorm en resulteert
dit in een verhoging van de bandbreedte. Hoe hoger de cpu-frequentie, hoe lager
de latencies zullen worden

3)
De chip-naar-chip
interconnect

Huidige chipsetopstellingen bieden een bandbreedte
tussen beide chips vari?rend van 266MB/s tot 1GB/s. Dit kan voldoende lijken
voor de gewone desktop pc, maar wanneer we kijken naar de integratie van
Gigabit-Ethernet, PCI-X, AGP 8x, SATA-150,? zien we direct dat we zelfs met een
onderlinge bandbreedte van 1GB/s, de bus snel kunnen verzadigen. Hypertransport
lost dit probleem op door meedere links tussen beide chips te plaatsen.

4)
Uitbreiding met
snellere I/O

Wilde men meerdere snellere I/O componenten
integreren, kon men dit doen door:

?
Het nieuwe component
aan te sluiten op de PCI-bus, maar ten kosten van de bandbreedte

?
Aansluiten op de hogere
interconnect tussen North- en Southbridge via een bridge. Maar dit ten nadele
van de beschikbaarheid en de prijs

?
Het nieuwe component
integreren in de Northbridge, echter moet men randcomponenten toevoegen waarbij
de prijs en beschikbaarheid enorm nadelig zullen zijn.

Met hypertransport kan het eenvoudig: sluit het nieuwe
component aan op een link en de bandbreedte is beschikbaar. Een goedkope en
snelle oplossing.

3.4) Superscalaire multiprocessing

Een ander voordeel van hypertransport is de
gemakkelijke manier van integratie bij multiprocessor systemen.

Klassieke multiprocessor opstellingen hebben
een groot nadeel: de beschikbare bandbreedte per cpu vermindert bij een
toenemend aantal cpu?s. De bandbreedte dat het geheugen biedt, wordt telkens
verdeelt over het aantal processoren zoals links te zien op onderstaande
figuur. Hierdoor verkreeg men geen optimale prestatiewinst als men 2 cpu?s ipv
1 cpu gebruikte.

Fig. 3.4.1: Links de klassieke opstelling van
Intel MP-chipsets: alle cpu?s gebruiken een gemeenschappelijke FSB en geheugen.

Rechts zien we de
AMD MP-opstelling: iedere cpu krijgt een aparte FSB, maar moeten toch het
geheugen delen.

Voordien trachtte AMD dit probleem te
omzeilen door elke cpu te voorzien van een aparte bus met de Northbridge, zoals
te zien rechts op bovenstaande figuur. Echter werd de geheugen en I/O
bandbreedte nog steeds gedeeld.

De K8 heeft dit probleem niet. Iedere cpu
heeft zijn eigen connectie met het geheugen en? geniet van de volle
bandbreedte.

Fig. 3.4.2: Iedere
cpu krijgt zijn eigen geheugen toebedeeld, zodat elk de maximum bandbreedte van
het geheugen kan benuttigen. Ook stijgt de totale bandbreedte evenredig met het
aantal cpu?s.

Een bijkomend voordeel is de manier waarop de
cpu?s aan elkaar gekoppeld worden: enkel dmv een hypertransportlink. Geen
nieuwe chipset vereist. Wil men een cpu bijplaatsen, moet men enkel een link
plaatsen tussen de cpu?s. Hoe meer processors men gebruikt, hoe groter de
totale bandbreedte wordt.

Wil men meer I/O componenten gebruiken, moet
men enkel een hypertransport link leggen tussen het nieuwe component en de cpu.
Dankzij de eenvoud van het systeem, is het voor AMD bijzonder gemakkelijk om
2/4/8-cpu systemen uit te brengen. Hiermee kan men direct de server en
workstation markt voorzien.

3.5) Hypertransport: de techniek

HyperTransport is een seri?le link die de
data, commando?s en adressen over dezelfde lijnen verstuurd. De data wordt
verpakt in paketten die een lengte hebben van 4 bytes of een veelvoud daarvan.

De links hebben een breedte van 2, 4, 8, 16 of
32-bit in beide richtingen. De snelheid is beperkt tot 1,6Gbit/s per pin-paar.

Fig. 3.5: bij
een busbreedte van 32bit hebben we dus een bandbreedte van 1.6Gbit/s *
8bit/byte * 32 bit breed * 2 richtingen = 12.8GByte/s

4) De ge?ntegreerde
geheugencontroller

Vroeger bevond de geheugencontroller zich in
de Northbridge, een chip die alle periferie laat communiceren met de cpu.

Afbeelding
4.1.1:

Hedendaags moet alle data die van en naar de cpu moet,
passeren via de Northbridge. Indien de cpu data moet ophalen of lezen uit het
geheugen, dan moet dit passeren via de cpu. De verbinding tussen cpu en
Northbridge wordt de Front Side Bus genoemd, kortweg FSB. Merk de ?extra lange?
weg op die tussen cpu en geheugen ligt.

De voordelen van de on-die memory controller
mogen duidelijk zijn (zie afb. 4.1.1)

Het geheugen ligt ?dichter? bij de
processor, zodat aanvragen in een kortere tijd heen en weer met als voordeel
dat de processor minder lang moet wachten eer data opgehaald is. In de praktijk
ziet men dat de latency van 100ns bij de Athlon XP verlaagd werd naar 70ns bij
de Athlon 64.

Hierdoor zal de effici?ntie van het
geheugengebruik stijgen. Recente tests hebben dit ook al bewezen: tot 97% van
de theoretische bandbreedte werd gemeten tijdens de geheugenbenchmarks! Bij de
Athlon XP varieert dit rond de 78%.

Afbeelding 4.1.2: de ondie memorycontroller

Diverse applicaties behalen hiermee voordelen. Volgens AMD kan dit tot
20% snelheidswinst opleveren, gaande van games tot fotobewerkingssoftware

Fig. 4.1.3: latencytest memcontroller

Toegangstijd in ns (lager is beter)

Afbeelding 4.1.3 toont duidelijk aan welke winst men geboekt heeft. De
latency van de ondie geheugencontroller op de Opteron is beduidend minder dan
de Athlon XP die getest werd op een Nforce? platform.

Een miniem nadeel is hier wel dat de geheugenondersteuning nu
afhankelijk geworden is van de cpu en niet meer van het moederbord. Maar
volgens AMD is dit voorzien en zal ze de geheugencontroller opwaarderen
naargelang de markt dit eist.

5) Silicon-On-Insulator

De nieuwste telg van AMD wordt geproduceert
uit SOI-wafers.

5.1) De techniek

Silicon-On-Insulator, kortweg SOI, is een
techniek van IBM die ervoor zorgt dat transistoren sneller en kleiner
gefabriceerd kunnen worden. Voor vele chipbakkers is deze technologie dan ook
een enorme stap vooruit omdat deze de prestaties aanzienlijk verhoogt. IBM
gebruikt een techniek (SIMOX, seperation by implantation of oxygen) waarbij
hoge yields (opbrengst per wafer) gegarandeerd kunnen worden..

De voordelen die men heeft door gebruik te
maken van SOI-wafers in de productie mogen er zijn:

IBM heeft in haar labo?s prestatiewinst van
25% ? 35% gemeten in de schakeltijden van de transistoren in vergelijking met
de huidige CMOS-technologie.

Qua verbruik ligt het gebruik van SOI-wafers
ook heel gunstig: 40% tot 50% minder energieverbruik dan CMOS, wat uiteraard
ideaal is voor low-voltage toestellen.

5.2) Opbrengst per wafer

De cpu?s worden gesneden uit 200mm wafers.
Volgens tomshardware.de is de opbrengst per wafer ongeveer 73 cpu?s.

Fig.
5.2.: uit een 200mm wafer kunnen er 122 cpu?s behaald worden, zolang de
opbrengst 100% is. Echter in de praktijk blijkt dat een fabrikant na 2 jaar
ongeveer 60% opbrengst kan bekomen, wat het resultaat op 73 cpu?s brengt.

6) Bespreking van de
familie

In de volgende hoofdstukken zullen we alle
uitgebrachte cpu?s brengen:

6.1) Opteron, benaming en reeksen.

De Opteron is de 64-bits processor
voor servers en workstations, hiermee probeert AMD een plaats te veroveren in
deze, door Intel gedomineerde, markt.

Met de Opteron die goedkoper is en beter
presteert in vergelijkende testen, zit AMD in een ideale positie om hun plaats
op de markt te veroveren. In volgende tabel (fig. 6.1) vinden we een
samenvatting van de huidige Opteron Modellen. De 100-serie voor ?single-cpu?
opstelling, de 200-serie voor ?dual-cpu? systemen en de 800-serie voor ?multi-cpu.

Fig. 6.1:
Overzicht Opteron modellen

De Opteron beschikt over een 128 bits dual channel
geheugen controller die werkt met ECC registered 400 Mhz (PC3200) DDR SDRAM
geheugen. Ook beschikt de Opteron over 1 MB L2 cache wat zorgt voor een prestatie
winst in software die intensief gebruikt maakt van geheugen. De L1 cache blijft
zijn grootte behouden van 128 KB.

De traditionele frontside bus om processor met
de Northbridge te laten communiceren is vervangen door een HyperTransport link.
De Hypertransport links kunnen ook communiceren met de Southbridge of andere
Opteron processors in multiprocessor opstellingen.

De Opteron 100 reeks heeft 1 HyperTransport
link van de 3 in gebruik. Deze
onderhoudt de communicatie met southbridge en randapparatuur.

De Opteron 200 reeks is geschikt om met een
andere Opteron te communiceren dmv een extra link.

Fig. 5.2:
Opstelling met 2 processors???????????????? Fig. 5.3: Opstelling met 4
processors

???????????
Fig. 5.4: Opstelling met 8
processors

6.2) AMD Athlon 64

Met de Athlon 64 hoopt AMD een sterke positie in te
nemen tegen grote concurrent Intel die vaste voet heeft in de desktop markt. Nu
al toont deze processor zich capabel om zich te meten met de nieuwste telg van
Intel, de Pentium 4 Extreme Edition . En dit alles gebeurt dan nog in 32 bits
mode, wanneer de 64 bits versie van windows uitkomt zal deze processor echt
zijn kracht kunnen tonen.

Nu momenteel is de Athlon 64 3200+ (2Ghz)
vlot verkrijgbaar en wordt binnen enkele maanden de Athlon 64 3000+ (1.8Ghz) en
de Athlon 64 3400+ (2.2 Ghz) uitgebracht. Niet lang daarna wordt ook de Athlon
64 3700+ (2.4 Ghz) uitgebracht.

De Athlon 64 had als codenaam ClawHammer en
heeft enkele beperkingen tegenover de Opteron en Athlon 64 FX (codenaam
SledgeHammer), enkele van deze zijn, geen dual channel geheugen controller en maar
1 HyperTransport link.

Deze cpu kan niet gebruikt worden in
dual-processor systemen door het ontbreken van de nodige HyperTransport links.

De Athlon 64 wordt nog geoptimaliseerd
doordat de HyperTransport link die nu op 800 Mhz data transporteert, wordt
vervangen door een HyperTransport link die op maar liefst 1 Ghz loopt. Als men
dit nu even in gedachte neemt wetende dat iets meer dan 2 jaar geleden iedereen
opkeek toen de processors de 1 Ghz -barri?re doorbraken lijkt dit een
ongelofelijke vooruitgang en wedloop tussen de twee giganten Intel en AMD.

6.3) AMD Athlon 64 FX

Omdat de Athlon 64 geen dual channel
geheugencontroller aanboord heeft hebben ze bij AMD de Athlon 64 FX
ge?ntroduceerd.

Doordat het moeilijker zou zijn om de Athlon
64 (ClawHammer) aan te passen met een dual channel controller hebben ze bij AMD
besloten om de Opteron (SledgeHammer) te nemen en te hernoemen.

Er duikt nu wel een probleem op, de Opteron
heeft een geheugencontroller die alleen maar werkt met ?ECC registered? (fout
controle) geheugen. Aangezien het geheugen de dag van vandaag toch van hoge
kwaliteit is voor desktop systemen, en ECC RAM beduidend meer kost hebben ze
bij AMD besloten om met een variant te werken die geen ECC vereist. De nu
huidige Athlon 64 FX 51 is dus een exacte kopie van de Opteron en moet dus
geplaatst worden op een Socket 940 moederbord.

De latere variant die zonder ECC geheugen
zal werken, die we binnen een half jaar mogen verwachten, zal op een socket 939
moederbord werken.

De moederbord fabrikanten zien de socket 940
maar graag gaan want deze vereist een 6-layer-PCB moederbord, en de socket 939
vereist maar een 4-layer-PCB moederbord. Nog een groot verschil tussen de
Athlon 64 en de Athlon 64 FX is weeral iets geleend van de Opteron: namelijk
meerdere coherente HyperTransport links waardoor er een dual- of multiprocessor
opstelling mogelijk is.

De huidige Athlon 64 FX-51 (2Ghz) wordt
tegen december opgevolgd door een Athlon 64 FX-53 (2.2Ghz) en later door een
Athlon 64 FX-55 (2.6Ghz) deze laatste twee zullen zoals hierboven uitgelegd
geen ?ECC Registered? geheugen nodig hebben.

In een later stadium wordt er ook nog een
dual-processor systeem verwacht op basis van de Athlon 64 FX.

6.4)
De Athlon 64 Mobile

De Athlon 64 Mobile is de variant voor
laptops en notebooks. Hier klinkt ook weer de toekomst muziek. De implementatie
van SOI (silicon On Insulated), een techniek die ervoor zorgt dat er veel
minder vermogen benodigd wordt, op de Athlon 64 maakt de processors uitermate
geschikt om gebruikt te worden in laptops zodat een hogere snelheid en kracht
niet ten koste gaat van autonomie. Op laptops met een Athlon 64 mobile
processor wordt het waarschijnlijk wel nog een klein jaartje wachten.

7) Chipsets

7.1) Chipsets voor de Opteron processor.

7.1.1)
AMD?s eigen chipset

Voor de Opteron processor is er geen resem
aan chipsets verkrijgbaar maar is het hoofdzakelijk de chipset van AMD zelf die
gebruikt wordt, die trouwens ook geschikt is voor de Athlon 64.

De gebruikte chipset noemt de ?AMD 8000
series? chipset. Een onderdeel van deze chipset is de AGP Tunnel, de AMD 8151
AGP Tunnel, maar deze wordt bijna niet gebruikt bij Opteron moederborden omdat
de Opteron bedoeld is voor de server markt en er daar geen gebruik wordt
gemaakt van de AGP-bus.

Op onderstaande figuur (Fig. 7.1) zien we
een close-up van nog een ander onderdeel van de chipset namelijk de ?AMD-8111? HyperTransport I/O Hub, beter gekend onder
de naam SouthBridge.

Fig. 7.1: De ?AMD-8111? HyperTransport I/O Hub

Een derde belangrijke chip in de ?AMD-8000? chipset is de ?AMD-83131 HyperTransport PCI-X Tunnel. In de onderstaande foto (Fig. 8.2) zien
we deze chip van dichtbij. Deze chip onderhoudt de communicatie tussen
processor en de
PCI(-X) bus waar de randapparatuur is op aangesloten.

Fig. 7.2: De ?AMD-8131? HyperTransport PCI-X Tunnel

7.1.2) De
Nvidia Nforce3

Een twee chipset is de Nforce 3 van Nvidia, deze is enkel
gericht op de Opteron 100 series van AMD. Op deze chipset vinden we ook een AGP
Tunnel terug en deze wordt wel gebruikt, omdat de Opteron 100 series zich ook
richt naar de werkstation markt. Deze chipset bevindt zich op een enkele chip,
waar de AGP, IDE en SOUND in ge?ntegreerd zitten.

De eerste versie van de Nforce 3 is de Nforce 3 Pro 150,
deze heeft quasi dezelfde eigenschappen als de Nforce 2 (chipset voor Athlon XP
K7), deze zijn 10/100 ethernet, 3 IDE kanalen (1 voor S-ATA en 2 voor ATA133),
AC97 5.1 geluid, en natuurlijk 8 USB poorten.

De Opvolger van de Nforce 3 Pro 150 wordt de Nforce 3 Pro
250 met als enige verandering de 1Gbps Ethernet functionaliteit.

7.2) Chipsets voor de Athlon 64 processor

Voor de Athlon 64 zijn er meerdere chipsets beschikbaar,
de Nforce 3 van Nvidia, de K8T800 van VIA en de M1687 van ALI.
Hieronder zie je een kleine vergelijkingen tussen de 3 in snelheid en prestatie.

Uiteindelijk wordt er geconcludeerd dat de
prestatieverschillen tussen de drie chipsets veel minder duidelijk zijn dan
destijds bij de Athlon XP-chipsets. Daar was de nForce2 duidelijk de winnaar op
performantie gebied. Nu geven vooral de prijs en de meegeleverde extra features
de doorslag. Dat laatste is duidelijk in het voordeel van VIA, omdat zij met de
K8T800 een chipset hebben die van deze mogelijkheden is voorzien en die
bovendien reeds verkrijgbaar is. nVidia zegt dit jaar nog extra functionaliteiten aan de nForce3 toe te voegen. ForceWare voegt echter weer dat extra
noviteitje toe dat andere chipsetbakkers niet kunnen brengen. ALi presteert
goed, maar heeft nog geen uitspraken gedaan over eventuele uitbreidingen in de
toekomst. Misschien richten zij zich op de low-cost markt.

Fig. 7.3: Nforce 3
150 voor AMD Athlon 64

Fig. 7.4: VIA K8T800 voor AMD
Athlon 64

Fig. 7.5: De ALI
M1687 chipset voor AMD Athlon 64

Fig. 7.6: De ALI
M1687 chip van dichtbij.