Athlon 64, Athlon 64 FX, Opteron

Der Athlon 64 bzw. Athlon 64 FX Prozessor gehört zu AMDs achten Prozessorgeneration "Hammer" und ist der erste Windows®-kompatiblen 64-Bit-PC-Prozessoren. Die Umstellung von 16 auf 32-Bit vollzog Intel beim Übergang vom 286er zum 386er Prozessor im Jahre 1985. Die Verdopplung dieser sogenannten "Registerbreite" von damals 16 auf 32 Bit und jetzt von 32 auf 64 Bit bedeutet einfach gesagt, daß die Recheneinheit eines Prozessors viel größere Zahlen verarbeiten kann. Der 64-Bit-Vorteil (die x86-64 Befehlssatzerweiterung für den 64-Bit-Betrieb) macht sich besonders bei der Speicher-Adressierung bemerkbar (siehe unten). Die Server-Version des Hammers wird Opteron genannt und wurde bereits am 21. April 2003 offiziell vorgestellt. (Versions-Unterschiede siehe Tabelle oben) Die Prozessoren der Hammer-Serie sind als erste AMD-Prozessoren auch kompatibel zur SSE2-Technologie. Ihr Level-1-Cache beträgt jeweils 64kB für Befehle und Daten. Der Level-2-Cache beträgt bisher stets 1 MB.

Im Gegensatz zu Intels 64-Bit-Prozessoren der "Itanium"-Serie, der keine weite Verbreitung fand, basiert Athlon 64 nicht auf einer komplett neuen Architektur, sondern fügt nur eine 64-Bit-Erweiterung zur vorhandenen 32-Bit-Technologie hinzu, so dass die AMD64-CPUs sowohl mit einem 32- als auch 64-Bit-Betriebssystem den aktuellen 16- und 32-Bit-Code ohne Performance-Verlust ausführen können. Somit kann der Anwender ohne Einbußen entscheiden, wann er zu einem 64-Bit-Betriebssystem wechseln möchte. Hammer-Prozessoren bieten flexibel 5 Betriebsmodi: je einen Legacy/Compatibility-Mode für 16- und 32-Bit und einen reinen 64-Bit-Modus.

 

Statt des üblichen parallelen Front Side Busses (FSB) kommuniziert die CPU über eine HyperTransport-Schnittstelle. Das serielle Interface mit variabler Bitbreite ermöglicht eine Datentransferrate von 3,2 GByte/s pro Richtung gleichzeitig. Bei 16 Bit mit 800MHz Takt DDR = 3,2GByte/s je Richtung ergibt eine Vollduplex-Bandbreite von max. 6,4 GByte/s. Beim Opteron bietet eine HyperTransport-Einheit mit gleich drei  I/O-Pfaden insgesamt bis zu 19,2 GBit/s pro Prozessor. ( Zum Vergleich: Der Pentium 4 mit 533 bzw. 800 MHz FSB erlaubt einen maximalen Datendurchsatz von 3,97 bzw. 6,4 GByte/s - aber nicht in beiden Richtungen gleichzeitig.) Über das HyperTransport-Interface läuft der gesamte Datenverkehr der Hammer-Prozessoren und des integrierten Speichercontrollers. Um beispielsweise einer benachbarten CPU direkten Zugriff auf den Arbeitsspeicher zu gewähren, benutzt der Hammer den XBAR-Schalter.

 

Eine echte Neuerung ist die integrierte Speicherschnittstelle des Athlon 64. Bei bisherigen PC-Systemen liegt zwischen Prozessor und Speicher stets der sogenannte Northbridge-Chip. Dieser Umweg und die damit verbundenen Verzögerungszeiten fallen beim Athlon 64 weg, denn er steuert die Speichermodule direkt an. Diese Integration führt zu geringeren Latenzzeiten bei dem Speicherzugriff, was einen Geschwindigkeitsvorteil von bis zu 60 Prozent bringt (aus c't 22/03/146). Dies beschleunigt vor allem Steuerbefehle und die Zugriffe auf verstreute Datenhäppchen. Aber auch die Transferrate großer Datenblöcke nähert sich weiter dem theoretischen Maximum. Zudem verbessert der schnelle Crossbar im Prozessor das Verhalten beim gleichzeitigen Speicherzugriff durch CPU und externe Komponenten wie Grafikkarte oder Festplatte. Der Adressraum beträgt 256 Terabytes (48 Bit virtuell, 40 Bit physikalisch). Das Konzept der Hammer-Multiprozessor-Systeme sieht lokalen Speicher an jeder CPU vor, so dass die anderen CPUs via Hypertransport-Bus auf den Speicher dieser CPU zugreifen können. Opteron ist mit zwei 72 Bit breiten DDR-SDRAM-Kanälen ausgestattet. Mit insgesamt 8 DIMM-Slots lassen sich dann pro Prozessor 8 GB adressieren. Somit ermöglicht der Opteron mit seinem Dual-Channel-Interface eine Bandbreite von 5,4 GByte/s. Dabei skaliert die Speicherbandbreite mit der Anzahl der CPUs. Opteron und Athlon FX verlangen den teureren registrierte DDR-Speicher. Der Athlon 64 weist dagegen nur ein Single-Channel Interface auf, läuft dafür aber auch mit herkömmlichen ungepufferten DDR400-Speicher.

Kleiner Exkurs in den Speicher-Adressraum:

Mit einem 32-Bit-Betriebssystem wie Windows XP können maximal 4 GByte Speicher angesprochen werden, wobei PCI-Bus und AGP bis zu einem halben GByte direkt unterhalb der 4-GByte -Grenze belegen, womit also nur etwa 3,5 GByte genutzt werden können. Der Adressraum von 4 GByte, der von 32Bit abgedeckt wird, reicht bei größeren Servern schon längst nicht mehr aus und auch im Desktop-Bereich stößt man allmählich an die Grenzen. Man unterscheidet zwischen dem physischen Adressraum, der sich auf die eingesteckten Speicher bezieht und dem logischen oder virtuellen Adressraum, welches ein Kunstgriffs von Betriebssystem und Memory Management Unit (MMU) des Prozessors ist. Die Programme sehen nur virtuelle Adressen, die zur Laufzeit auf die physischen abgebildet werden (Page Translation mit Hilfe des Translation Lookaside Buffers TLB). Dieses Konzept ist in Multitasking-Umgebungen sehr praktisch, da die Speicherverwaltung einfach und effizient ist und die Prozesse in voneinander gut abgeschotteten Umgebungen laufen. Der virtuelle Adressraum ist unabhängig vom eingesteckten Speicher; wenn er nicht ausreicht, dann kann das Betriebssystem über die Swap-Datei mehr virtuellen Speicher zuordnen - durch die notwendigen Festplattenzugriffe entstehen dabei deutliche Performance-Einbußen.

Mögliche Speicherbestückung beim Athlon 64:

Der Athlon 64 Prozessor 3200+/3400+ benötigt PC3200-Speichermodule, gleichgültig welcher Chipsatz auf dem Mainboard sitzt. Langsamere Module funktionieren auch, aber bremsen den Prozessor etwas aus. Theoretisch verträgt der Athlon 64 Module mit bis zu 4 GByte, doch in der Praxis hängt die Maximalbestückung von der Anzahl und der Art der Speicher ab: Von PC3200-Modulen lassen sich maximal zwei einsetzen. Drei PC2700-Riegel sind möglich, aber nur zwei davon dürfen doppelreihig organisiert sein. Wer drei doppelreihige DIMMs nutzen will, muss sich mit PC2100 begnügen. Solange keine 2- oder 4-GByte-Module lieferbar sind und alle 512MB- und 1GB-Module doppelreihig organisiert sind, liegt die Maximalbestückung mit PC3200 bei 2 GByte, mit PC2700 bei 2,25 GByte und mit PC2100 bei 2 GByte. (vgl. ct 22/03/146)

Athlon 64 paßt nicht mehr in den Sockel A, der seit Anfang 2000 für alle AMD-Prozessoren geeignet ist. Die Pin-Anzahl wurde von 462 (Sockel A) auf 754 (Sockel 754) erhöht. Die Server-/Workstation-Version des Athlon 64 heißt "Opteron" und weist sogar stattliche 940 Pins auf, die ist allerdings nicht für herkömmliche Anwender-PCs gedacht, sondern für Workstations und Server. Ein "Zwischending" ist der Athlon 64 FX mit ebenfalls zunächst 940 Pins. Eine Version mit 939 Pins ist in Planung.

Die neuen AMD-Prozessoren haben jetzt auch einen IHS (integrated head spreader) wie beim Pentium 4 bekommen, das ist ein massiver Metalldeckel über dem Prozessor-Die, der vor Beschädigung bewahren soll und die Fläche zwischen Kühler und Prozessor vergrößert. AMD hat auch einen Überhitzungsschutz eingebaut, der bei einer Die-Temperatur von 125°C die internen Taktsignale des Prozessors abschaltet, wie schon beim Intel Pentium III und 4. Der Kühler wird nicht mehr an einer winzigen Nase am Prozessorsockel festgehalten, sondern in Gewinden einer Metallplatte, die auf der Rückseite des Boards aufgeklebt ist und zusätzlich vor allzu starkem Durchbiegen schützt.

Foto: Mainboard AN50R

 

Serie	Model Name	MP	Clock Speed	L1 Cache	L2 Cache
800 (1-8 way)	AMD Opteron 846	8P	2.0GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 844	8P	1.8GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 842	8P	1.6GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 840	8P	1.4GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
200 (1-2 way)	AMD Opteron 246	2P	2.0GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 244	2P	1.8GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 242	2P	1.6GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 240	2P	1.4GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
100 (1-way)	AMD Opteron 146	1P	2.0GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 144	1P	1.8GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 142	1P	1.6GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB
	AMD Opteron 140	1P	1.4GHz	I=64KB/D=64KB	1024KB

 

aus c't Magazin, Heft 20/2003, Seite 117

Pozessor	PPC970	Power4+	G4+(7455)	Itanium 2 LV	Pentium 4	Opteron / FX	Athlon XP
Codename			Apollo	Deerfield	Northwood	Sledgehammer	Barton
Hersteller	IBM	IBM	Motorola	Intel	Intel	AMD	AMD
Transistoren	52 Mio.	184 Mio.	33 Mio.	ca. 250 Mio.	55 Mio.	93 Mio.	54,3 Mio.
Prozess	0,13 µm	0,13 µm	0,18 µm	0,13 µm	0,13 µm	0,13 µm	0,13 µm
Chipgröße	118 qmm	267 qmm	106 qmm	266 qmm	131 qmm	212 qmm	101 qmm
Architektur	64 Bit	64 Bit	32 Bit	64 Bit	32 Bit	64 Bit	32 Bit
Virt./Phys.  Adresse	64 Bit / 42 Bit	64 Bit/ 42 Bit	32(52) Bit / 36 Bit	58 Bit / 50 Bit	32 Bit / 36 Bit	48 Bit / 40 Bit	32 Bit / 36 Bit
CPU-Kerne	1	2	1	1	1 (HT)	1	1
µOps/Takt	4+1	4+1	3+1	6	3	6	6
µOps/ in Flight	215	215	16	48	126	72	72
Funktions- einheiten	2x Int,  2x FPU,  2x Load/Store, 1x Branch,  1x Cond, 4x AltiVec	2x Int,  2x FPU,  2x Load/Store,  1x Branch,  1x Cond	4x Int,  1x FPU,  1x Load/Store,  4 x Altivec	2x fastAGU,  1x ALU,  1x FPU, 3x Branch	2x FastALU,  2x FastAGU,  1x ALU,  1x FPU,  1x Fload/Store	3x Int/MMX,  3x AGU,  FADD,  FMUL,  FMISC	3x Int/MMX,  3x AGU,  FADD,  FMUL,  FMISC
Basis-Pipeline	16	12	7	8	20 (ab TC)	12	10
Max. Takt	2 GHz	1,7 GHz	1,425 GHz	1 GHz	3,2 GHz	2,0 (FX:2,2) GHZ	2,2 GHz
Kernspannung	1,3 V	1,3 V	1,3 V	1,1 V	1,5 V	1,55 V	1,65 V
Power (typ)	42 W (1,8GHz)	82 Watt	22 Watt	< 55 Watt TDP	82 Watt	84,7 W (1,8 GHz)	60,4 W (max)
L1-l-Cache	64 K 1-way 128 Byte	64 K 1-way 128 Byte	32 K 8-way	16 K 4-way 64 Byte	12KµOps 8-way	64 K WB 2-way 64 Byte	64 K, WB 2-way 64 Byte
L1-D-Cache	32 K, WT, 2-way,  128 Byte,  3 Ports	32 K, WT,  2-way,  128 Byte,  3 Ports	32 K,   8-way	16 K, WT,  4-way,  64 Byte	8 K, WT,  4-way,  64 Byte	64 K, WB,  2-way,  64 Byte	64 K, WB,  2-way,  64 Byte
L1-D-Cache Latenz	4 T	4 T	3 T	1 T (INT)	2 T (int), 9 T (FP)	3 T	3 T
L2-Cache	512 K, WB, 8Way,  128 Byte	3x512K, WB,  8Way,  64 Byte	256KB,  8-way,  64 Byte	256 KB, WB,  8-way,  64 Byte	512 K, WB,  8-way,  64 Byte	1 MB, WB,  16-way,  64 Byte, exclusiv	512 KB,  16-way,  64 Byte, exclusive
L2-Cache-Latenz	12 T	12 T	9 T	5 (INT), 6 (FP)	7 (In), 7 (FP)		20
L2-Cache-Bandbreite	64 GByte/s	3x 54,4 GByte/s	45,6 GByte/s	16 GByte/s	100 GByte/s	32 GByte/s (?)	17,6 GByte
Bus-Breite	2x 32 Bit	2x 32 Bit	64 Bit	128 Bit	64 Bit	1..3x2x 16 Bit	64 Bit
Bus-Transferrate	2x 3,5 GByte/s	2x 4 GByte/s	1,0 GByte/s	6,4 GByte/s	6,4 GByte/s	1..3x2x3,2 GByte/s	3,2 GByte/s
Int-Regs	32/80	32/80	32/?	128	8/128	8/36	8/36
FPU-Regs	32/72	32/72	32/?	128	8/128	8/36	8/36

 

Athlon64-Prozessoren im neuen CG-Stepping setzen die Stromspartechnik Cool'n'quiet effizienter um (der Athlon 64FX unterstützt diese Stromspartechnik nicht). Außerdem soll das neue Stepping mehr Leistung bieten und kompatibler mit DDR400-Speichermodulen umgehen.

	alt	neu
Stepping	C0	CG
Aufdruck	...AP	...AR
CPUID *)	F48	F4A
Cool'n'Quiet erste Taktstufe	1800MHz	1800MHz
Cool'n'Quiet zweite Taktstufe	800MHz 35 Watt 1,3 Volt	1000MHz 22 Watt 1,1 Volt

*) Den CPUID kann man mit Tools wie CPU-Z oder AMD CPUID ermitteln. (siehe www.cpuid.com)
Quelle: PC Games Hardware 4/04/03

 

aus PC Games Hardware (07/04, S. 47)

Sockel	Typ	L2-Cache	Takt	Sp.-Int.	CPUID	PD	ST. Kern
754	Athlon 64 2800+	512 kB	1800 MHz	SC	FCO	AX	CG Newcastle
754	Athlon 64 3000+	512 kB	2000 MHz	SC	F48	AP	CO Clawhammer
754	Athlon 64 3000+	512 kB	2000 MHz	SC	F4A	AR	CG Clawhammer
754	Athlon 64 3000+	512 kB	2000 MHz	SC	FCO	AX	CG Newcastle
754	Athlon 64 3200+	512 kB	2200 MHz	SC	F48	AP	CO Clawhammer
754	Athlon 64 3200+	512 kB	2200 MHz	SC	F4A	AR	CG Clawhammer
754	Athlon 64 3200+	512 kB	2200 MHz	SC	FCO	AX	CG Newcastle
754	Athlon 64 3200+	1024 kB	2000 MHz	SC	F48	AP	CO Clawhammer
754	Athlon 64 3200+	1024 kB	2000 MHz	SC	F4A	AR	CG Clawhammer
754	Athlon 64 3400+	1024 kB	2200 MHz	SC	F48	AP	CO Clawhammer
754	Athlon 64 3400+	1024 kB	2200 MHz	SC	F4A	AR	CG Clawhammer
754	Athlon 64 3700+	1024 kB	2400 MHz	SC	F4A	AR	CG Clawhammer
940	Athlon 64 FX-51	1024 kB	2200 Mhz	DC	F58	AK	CO Sledgehammer
940	Athlon 64 FX-53	1024 kB	2400 Mhz	DC	F58	AK	CO Sledgehammer
940	Athlon 64 FX-53	1024 kB	2400 Mhz	DC	F5A	AT	CG Sledgehammer
939	Athlon 64 3500+	512 kB	2200 Mhz	DC	FF0	AW	CG Newcastle
939	Athlon 64 3800+	512 kB	2400 Mhz	DC	FF0	AW	CG Newcastle
939	Athlon 64 FX-53	1024 kB	2400 Mhz	DC	F7A	AS	CG Sledgehammer

 

AP Athlon 64, CO AR Athlon 64, CG AX Athlon 64, (Newc.), CG AK Athlon 64, CO AT Athlon 64, CG

Die letzten beiden Ziffern geben einen Hinweis auf das Stepping: AP bedeutet "CO" AR bedeutet "CG" (= neu)

 

Sockel 940	Sockel 939