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Per alcuni sembra ieri, per altri sembra passata una vita, ma sono 17 anni che i processori hanno infranto la barriera del gigahertz.

RetroWare - Quando 1 GHz sembrava il tetto del mondo

AMD Athlon e Intel Pentium, fino all'ultimo megahertz

Eccoci a un nuovo appuntamento della rubrica RetroWare che, dopo avervi raccontato la debacle del Pentium I, vede sì il ritorno di Intel ma in buona compagnia, quella di AMD.

Se vi siete mai chiesti quale fu il primo processore a raggiungere la soglia psicologica di 1 GHz, mettetevi il cuore in pace perché nessuno lo sa con certezza. Erano i primi giorni di marzo del 2000 quando Intel e AMD annunciarono di aver spedito i primi sample di processori con una frequenza di 1000 MHz.

Tuttavia, siccome le due aziende sono rivali da sempre e nessuna era disposta a cedere quell'immaginario scettro, ai comunicati stampa seguirono precisazioni in cui, ora una ora l'altra, affermavano che le spedizioni era state fatte già prima dell'annuncio.

Sporco e impolverato per l'affannosa ricerca negli annali dell'informatica, posso dirvi che Gateway, importante system builder ancora oggi presente sul mercato, iniziò ad assemblare i primi PC dotati di AMD Athlon K7 1 GHz il 28 febbraio 2000, più o meno insieme a Compaq. Sul lato blu della barricata c'erano Dell e IBM che ricevettero da Intel i Pentium III nello stesso periodo ma solo Big Blue (IBM) iniziò immediatamente ad assemblare PC con tale processore, peraltro ancora prima di aprire gli ordini.

cpu JPG

Non sapremo mai con certezza a chi sia stato assegnato lo scettro per il primo PC dotato di un processore da 1GHz ma mi fa sorridere l'idea che tutto possa essere dipeso non tanto dagli investimenti di Intel o AMD quanto dalla velocità di consegna di FedEx o UPS.

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AMD Athlon K7 e K75

Prima di tutto, accantonate per un secondo i processori per come li conosciamo oggi. Fino al 2000 i processori consumer erano spesso saldati su appositi moduli e accompagnati da chip di (costosissima) RAM che fungeva da cache L2 esterna mentre la cache L3 poteva addirittura essere saldata sulla scheda madre.

Questi moduli erano collegati meccanicamente alle schede madre per mezzo di appositi slot che ricordano vagamente gli attuali PCI Express x16.

amd slot a

Fatta questa piccola digressione, AMD affidò tutte le sue speranze di trionfo alla settima generazione di processore x86, nome in codice K7 ma meglio conosciuto come Athlon.

In realtà i primi modelli di Athlon usavano una rivisitazione dei core Argon dei precedenti K6 mentre il processo produttivo rimase quello a 250nm. Detto in altre parole, AMD usò un approccio a tre fasi (quello che oggi Intel chiama PAO, Processo produttivo - Architettura - Ottimizzazione) limitandosi ad aggiornare il core K6.

Per i più curiosi, le ottimizzazioni principali riguardarono il raddoppio della cache L1 data e instruction (che passarono da 32+32 KB a 64+64KB), la cache L2 portata a 512KB (seppure a velocità dimezzata e sempre esterna al processore vero e proprio), miglioramenti alla FPU (la floting-point unit che, nel Pentium I, sbagliava le divisioni), supporto alle istruzioni Enhanced 3DNow! e, infine, la compatibilità del bus con il protocollo EV6.

Grazie a queste ottimizzazioni, a parità di frequenza l'Athlon batteva il Pentium III del 10% nelle applicazioni business, divario che saliva al 20% nei giochi. Un costo più competitivo e qualche intoppo di produzione da parte di Intel permisero al "nuovo" processore della casa di Sunnyvale di riscuotere un immediato successo.

La soglia psicologica di 1 GHz fu raggiunta grazie alla seconda revisione dell'Athlon.

amd k7

Dopo 5 mesi di onorato servizio, il core K7 Argon lasciò spazio ai core K75 Pluto/Orion. Fatta eccezione per la velocità della cache L2 (sempre esterna rispetto al chip e con frequenza da un terzo a metà di quella del core), la differenza principale era il processo produttivo passato da 250nm a 180nm.

Mentre la conta dei transistor rimase a 22 milioni, la nuova litografia permise al die di passare da 184 a 104 mm2. La tensione di alimentazione (vCore) dei processori più lenti rimase invariata a 1,6V mentre quella dei modelli più veloci salì fino a 1,8V.

Anche se la corona spetta agli Athlon dotati di core K75, la versione che rimarrà nel cuore di tutti gli appassionati è quella basata sull'eccezionale core Thunderbird.

Grazie al processo produttivo a 180 nm, AMD riuscì a stipare in 120 mm2 ben 37 milioni di transistor che comprendevano il core Thunderbird, 64+64 KB di cache L1 e 256KB di cache L2 a piena frequenza. Infine, AMD presentò l'Athlon T-Bird in un package PGA abbinato al socket A (o socket 462) simile a quelli a cui siamo abituati ma il successo di questo processore fu tale che l'azienda decise di commercializzarlo anche in moduli per Slot-A.

Anche se non raggiunse mai i numeri di vendita del Pentium III, l'Athlon Thunderbird surclassò il rivale grazie a un IPC migliore, frequenze più elevate e soluzioni tecniche all'avanguardia. Questo, unitamente a un prezzo interessante e un'ampia disponibilità, lo rese uno dei processori AMD di maggior successo.

Modello Data pres. Proc. prod. Transistor Area Freq. core Cache L1 Cache L2 FSB VCore
K7 Argon 06/1999 250 nm 22 M 184 mm2 500-700 MHz 64+64 KB 512KB 100MHz 1,6V
K75 Pluto/Orion 11/1999 180 nm 22 M 102 mm2 550-1000 MHz 64+64 KB 512 KB 100MHz 1,6-1,8V
K7 Thunderbird 06/2000 180 nm 37 M 120 mm2 650-1400MHz 64+64 KB 256 KB 100-133 MHz 1,70-1,75V

Intel Pentium III

Similmente a quanto aveva fatto AMD con l'Athlon, anche Intel scelse la strada dell'evoluzione invece di quella della rivoluzione.

Quando lanciò il primo Pentium III, scelse di utilizzare il core Katmai che era un affinamento del core Deschutes usato negli ultimi Pentium II. In particolare Intel si concentrò sul controller dei 16 + 16 KB di cache L1 e aggiunse il supporto alle istruzioni SSE (seppure in modo anomalo) oltre ad affinamenti di minor impatto.

Queste modifiche portarono il conteggio dei transistor a 9,5 milioni - 2 milioni in più di Deschutes - distribuiti su 128 mm2 a cui andavano sommati altri 25 milioni per i 512KB di cache L2 esterna al chip. Inoltre, così come aveva fatto la sua rivale, scelse di usare il medesimo processo produttivo a 250 nm.

tualatin

Commercializzati su un modulo "Slot 1", i primi esemplari di Pentium III avevano una frequenza compresa fra 450 e 600 MHz con un bus a 100 o 133 MHz mentre la cache L2 lavorava alla metà della velocità del processore.

Siccome la storia tende a ripetersi, anche in questo caso la seconda generazione portò con sé un'architettura migliorata sotto tutti gli aspetti e un processo produttivo molto più raffinato.

Alla fine del 1999 Intel presentò ufficialmente i nuovi Pentium III dotati del core Coppermine. Seppure la lista delle modifiche fosse abbastanza lunga, anche in questo caso gran parte della differenza la fece la cache L2 integrata nel chip. Di nuovo, la capacità complessiva della cache L2 fu dimezzata (da 512 a 256 KB) tuttavia lavorava alla stessa frequenza del core e questo fu sufficiente per elevare le prestazioni ben oltre quelle degli omologhi processori dotati di core Katmai.

Ultimo ma non meno importante, grazie al nuovo processo produttivo la tensione di alimentazione (VCore) fu abbassata da 2,0 a 1,6-1,75 V a tutto beneficio di temperature e consumi.

Intel rese disponibile il Pentium III sia su Slot 1 sia nel package FC-PGA che, dotato di 370 pin, richiedeva schede madre dotate di socket 370 (che fantasia!).

Quanto alle frequenze, la prima sfornata di processori con core Coppermine (ottobre 1999) lavorava a frequenze comprese fra 500 e 733 MHz mentre il FSB poteva avere una frequenza di 100 o 133 MHz. Da dicembre dello stesso anno e fino a maggio di quello successivo, Intel rilasciò progressivamente altri modelli caratterizzati da frequenze comprese fra 750 MHz e 1,13 GHz.

katmai

Poiché al tempo i processori erano identificati per modello e frequenza (ad esempio, Pentium III 600 MHz), Intel fu costretta a trovare un modo per distinguere i processori in base al core utilizzato (Katmai o Coppermine) e alla frequenza del Front Side Bus (FSB).

La scelta ricadde su due lettere da aggiungere al nome del processore: la "E" indicava quelli dotati del core Coppermine mentre la "B" indicava quelli con la frequenza del FSB portata a 133MHz.

Detto in altre parole, nel 1999 potevate acquistare almeno sei versioni del Pentium III 600 MHz: due basate su core Katmai con FSB a 100 o 133 MHz in formato modulo per Slot A, e due basate sul core Coppermine con FSB a 100 o 133 MHz che, però, erano disponili sia su modulo Slot A sia su package FC-PGA.

Morale: se oggi faticate a capire la differenza fra i vari i7, immaginatevi che confusione c'era nella nostra testa in passato!

Come dicevo all'inizio, è impossibile sapere con certezza se il primo processore da 1 GHz entrato nella casa o nell'ufficio di un utente finale sia stato un AMD Athlon basato sul core K75 oppure un Pentium III 1 GHz basato sul core Coppermine, ma resta il fatto che la gara fu a tratti emozionante e continuò per diverso tempo.

Intel ribatté all'Athlon T-Bird con il Pentium III Tualatin, sostanzialmente un die shrink di Coppermine  che, grazie al processo produttivo a 130 nm, reggeva una frequenza da 1 a 1,4 GHz con una vCore ancora più conservativa (1,45-1,475 V) e, nei modelli -S, aggiungeva anche una cache L2 raddoppiata (da 256 a 512KB).

Modello Data pres. Proc. prod. Transistor Area Freq. core Cache L1 Cache L2 FSB VCore
Pentium III Katmai 02/1999 250 nm 9,5 M 128 mm2 450-600 MHz 16+16 KB 512KB 100-133 MHz 2-2,05V
Pentium III Coppermine 10/1999 180 nm 29 M 106 mm2 500-1133 MHz 16+16 KB 256 KB 100-133 MHz 1,6-1,75V
Pentium III Tualatin 07/2001 130 nm 28-46 M ~85 mm2 1-1,4 GHz 16+16 KB 256/512 KB 100-133 MHz 1,45-1,475V
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