Evolution, cache et core

I) Evolution du Celeron

Après 4 années d'existence, le Celeron a déjà connu beaucoup d'évolution. Nous avons donc pensé qu'un petit récapitulatif de tout les différents types pouvait être utile. Tout commence donc en 1998. Cette année la, Intel décide que le marché des processeurs doit être segmenté afin d'offrir a chaque catégorie d'utilisateur un processeur approprié. Aprés quelques semaines de réflexion, c'est décidé ! L'entrée de gamme s'appellera "Celeron", le milieu de gamme "Pentium" et le haut de gamme "Xeon". Ces appellations sont d'ailleurs toujours en vigueur aujourd'hui. Ainsi; le 4 Mars 1998, le processeur Celeron fait son apparition officielle dans un communiqué de presse d'intel. Le Xeon quant a lui, apparaîtra le 20 Avril de cette même année sous le nom de "Pentium II Xeon". Revenons au Celeron et voyons les différentes révision ainsi que leurs caractéristiques :

• Celeron "Covington" : Le Covington fût donc le premier de la gamme Celeron. D'une durée de vie trés courte, il était basé sur le core du Pentium II mais, grossière erreur, n'était pas doté de mémoire cache L2 ! Disponible en version 266 et 300 Mhz sous le format d'une cartouche S.E.P.P. (Single Edge Pin Package), le Covington était concu à partir du core Deschutes, gravé en 0.25 µm et alimenté en 2.0 Volts. A l'époque, la majorité des Pentium II disponible étaient encore basé sur le core Klamath gravé en 0.35 µm et alimenté en 2.8 Volts. Vu l'absence de cache L2, ces processeurs s'overclockait trés bien à 413 Mhz (FSB de 103 Mhz au lieu de 66 Mhz) pour le modéle 266 voir à 465 Mhz pour le modele 300.

• Celeron "Mendocino" : Réalisant rapidement l'erreur du Covington, Intel lanca le Celeron "A" le 24 Aout 1998. D'abord cadencé à 300 et 333 Mhz, ils présentaient comme amélioration majeure (et c'est peu dire), l'ajout de 128 ko de cache L2 fonctionnant à la même vitesse que le core Deschutes sur lequel il était basé. C'était une trés bonne affaire puisque le principal concurent était le Pentium II classique, doté certes de 512 ko de cache, mais fonctionnant à seulement la moitié de la fréquence du CPU. Tout le monde se souviendra du fameux Celeron 300A qui s'overclockait à l'époque à 450 Mhz sans probleme (503 pour les plus chanceux). Ce Celeron, qui était tout d'abord disponible au format S.E.P.P destiné au Slot 1 comme les premiers Covington, s'adapta rapidement au nouveau Socket 370 qu'Intel venait de lancer (PPGA). Le dernier exemplaire de la gamme fût le Celeron 533 Mhz qui marqua la limite du core Deschutes.

• Celeron "Coppermine" : Enfin ! Beaucoup l'attendait et c'est le 29 Mars 2000 qu'Intel annonce le passage au core Coppermine de son Celeron. Version "light" des Pentiums III Coppermine, le Celeron exploite le meme core, gravé en 0.18 µm, ainsi que le meme packaging (FC-PGA) mais reste doté de 128 ko de cache L2. De plus, une latence est rajoutée au cache du processeur afin de ne pas faire trop d'ombre à son grand frére. Le Celeron Coppermine fût donc lancé en masse en version 566 et 600 Mhz (la version 533 Mhz est trés rare). Comme toujours, la premiere version d'un nouveau core s'est avérée trés overclockable. Le Celeron 566 acceptait sans trop de difficultés de fonctionner à 850 Mhz (FSB de 100 Mhz). Cependant, le bus, toujours limité à 66 Mhz des Celeron commencait à etre juste, surtout comparé aux Pentium III "B" et "EB" équipé d'un FSB de 133 Mhz. Intel décida donc début 2001 à sortir le Celeron 800 Mhz, doté d'un FSB de 100 Mhz. Tous ces CPUs étaient alimentés avec une tension comprise entre 1.6 et 1.75 Volts.

• Celeron "Tualatin" : Derniere évolution du core P6, le celeron Tualatin opére une quasi-fusion avec le Pentium III. En effet, il se dote de 256 ko de cache L2 et du core Tualatin gravé en 0.13 µm. Un Heat-Spreader est désormais inclus. Les Celerons Tualatins necessitent toutefois une évolution des cartes mères Socket 370 pour pouvoir fonctionner. En effet, l'alimentatation de cette révision FC-PGA2 requiert une alimentation et parfois un chipset differents des Coppermines. Les Celerons Tualatin sont disponibles de 1.0 Ghz à 1.4 Ghz. La limite d'overclocking du core est d'environ 1.5 Ghz.

• Celeron "Willamette" : Mai 2002, le Celeron évolue encore une fois pour cette adopter l'architecture NetBurst des Pentium 4. Le "Celeron P4" est né. Malheureusement, il est doté sur l'antique core Willamette, gravé en 0.18 µm et s'overclocke peu, ce qui ne parvient donc pas a combler ses faibles performances dues au cache L2 de 128 ko alors que l'architecture du Pentium 4 est trés sensible à la quantité de mémoire cache. Le Celeron Willamette n'aura donc qu'une durée de vie trés courte (quatre mois) et ne sera disponible qu'en version 1.7 et 1.8 Ghz en Socket 478.

• Celeron "Northwood" : Annoncé mi-Septembre 2002, le Celeron Northwood se dote du core Northwood en révision C1 et de la gravure 0.13 µm qui l'accompagne. C'est cette version que nous testons aujourd'hui et qui est disponible actuellement en version 2.0 Ghz. Le Celeron 2 Ghz est alimenté en 1.525 Volts

II) Le Cache L2 (by Franck)

L'historique des modèles de Céléron a révélé que ceux-ci sont hérités des modèles de Pentium !!! ou de Pentium 4 dont une partie du cache L2 est désactivée, à l'exception du Céléron Tualatin dont le cache est en tout point semblable à celui du Pentium !!! Tualatin avec 256Ko de L2. Les modèles de Céléron P4 n'échappent pas à la règle. Ainsi, le premier modèle de Céléron P4, basé sur le core Willamette, voit son cache dérivé des 256Ko du Pentium 4 Willamette, organisés en 8 blocs de 32Ko chacun, mais dont 4 blocs ont été désactivés. Ce Céléron se retrouve ainsi avec 4 blocs de 32Ko, soit 128Ko gérés en 4-way associative.

Qu'en est-il du cache L2 du Céléron Northwood ? Une fois n'est pas coutume, Intel n'a pas délivré beaucoup d'informations sur le cache L2 de son dernier processeur, si ce n'est la taille de 128Ko. Les descripteurs de cache (qui fournissent les informations sur l'organisation du cache L2) renvoyés par le Céléron Northwood ne sont pas encore documentés, ce qui explique notamment que la plupart des logiciels de détection ne voient tout simplement pas de L2 sur ce Céléron. Il nous faut donc recourir à d'autres programmes afin d'en savoir plus sur ce cache. L'utilisation d'un test de latence permet de fournir quelques informations.

stride  4       8       16      32      64      128     256     512
size (Kb)
1       3       2       2       2       2       2       2       2
2       2       2       2       2       2       2       2       2
4       2       2       2       2       2       2       2       2
8       2       2       2       4       2       2       2       2
16      2       3       4       15      17      18      19      19
32      3       3       4       17      18      19      20      18
64      2       3       4       18      19      18      19      18
128     4       4       9       18      19      18      18      18
256     5       10      19      38      72      233     233     234
512     6       10      20      39      73      231     235     241
1024    6       10      20      38      73      232     235     241
2048    6       10      19      39      73      231     226     241
4096    6       10      20      39      73      235     224     241
8192    6       10      20      39      74      231     228     240
16384   6       11      19      39      72      231     230     241
32768   6       11      20      39      74      231     227     241

2 cache levels detected
Level 1         size = 8Kb      latency = 2 cycles
Level 2         size = 128Kb    latency = 18 cycles

Le test révèle bien un L2 de 128Ko. De plus, les résultats obtenus aux différentes valeurs de sauts (stride) permettent de déterminer la taille des lignes du cache L2. En effet, si on regarde par exemple la dernière ligne, on s'aperçoit que les temps d'accès plafonnent à partir de sauts de 128 octets, ce qui signifie que la taille d'une ligne de cache a été dépassée. Elle est donc égale à 128 octets, valeur que l'on retrouve sur le Pentium 4 (rappelons qu'une ligne de cache d u Pentium 4 est origanisée en deux secteurs de 64 octets, ce qui porte sa taille effective à 128 octets). La latence du L2 du Céléron est de 18 cycles, ce qui est une fois de plus conforme à ce que l'on trouve sur un Pentium 4.

Le mode associatif du cache du Céléron est en revanche plus difficile à déterminer de façon logicielle. Cependant, si l'on se réfère à ce qui a été dit plus haut, le cache L2 du Céléron Northwood est dérivé de celui du Pentium 4 du même nom, soit 512Ko géré en 8-way, donc organisés en 8 blocs de 64Ko. Pour réduire ce cache à 128Ko, il suffit donc de ne garder que 2 de ces 8 blocs, et l'on obtient ainsi 128Ko de L2 gérés en mode 2-way associative.

Afin de vérifier cela, nous avons comparé les résultats d'un Céléron P4 Willamette overclocké à 2GHz (17x117) et de notre Céléron à 2GHz au CPUMark99. Ce bench a la particularité de solliciter de façon assez intensive les caches, et les résultats dépendent donc en grande partie de la taille de de l'organisation du L2.

Le Céléron Willamette dépasse le Céléron Northwood de plus de 5,5% à fréquence égale. Malgré le fait que le Céléron Willamette utilise un FSB légèrement supérieur (117MHz au lieu de 100), cela ne justifie pas un tel écart, car en effet l'overclock du Céléron Willamette apporte un gain de performance directement proportionnel à la fréquence du processeur. Il est donc fort probable que la différence de performances soit en partie imputable à la différence de gestion du cache L2, à savoir 4-way pour le Céléron Willamette et 2-way pour le Céléron Northwood.

Si cela s'avère, quelle est l'influence d'une telle gestion en mode 2-way ?
La diminution de l'associativité d'un cache a pour effet d'augmenter le nombre de conflits, augmentant ainsi le taux d'échecs ; ainsi, une gestion en 2-way présente plus de "cache miss" qu'une gestion en mode 4-way, et rend le cache L2 globalement moins efficace.
Cela risque d'être fortement préjudiciable aux performances globales du Céléron Northwood, car comme nous l'avons déjà vu le cache L2 a une importance toute particulière dans l'architecture Netburst.

III) Le Core Northwood C1

Terminons par un mot sur le core C1 du Northwood. Apparu avec les Pentiums 4 2.5/2.6/2.66/2.8 Ghz, le core C1 est l'avant derniere évolution avant le Prescott qui sera gravé en 0.09 µm. La derniere évolution sera bien sûr le core Northwood supportant l'Hyper-Threading qui devrait apparaitre d'ici quelques semaines avec le Pentium 4 3.06 Ghz. Les cores C1 se distinguent aussi par un changement de CPUID, passant de 0F24h à 0F27h. A la sortir du Pentium 4 2.8 Ghz, beaucoup de sites ont mesuré une difference de quelques 2% à 3% à fréquence égale avec l'ancien core B0. Aprés beaucoup de tergiversations, il semblerait que cette trés légére augmentation de performance proviennent de la correction d'un bug dans le core qui desactivait dans certaines conditions de la Data Prefetch.

Le Core C1 permet aussi à Intel de depasser la barre des 3 Ghz, innacessible au core B0 et B0 Shrink. Comme nos collegues d'Holicho l'ont bien démontrer, cette révision montre ses limites aux alentours de 3.4 Ghz en air cooling et plus de .... 4.4 Ghz avec un refroidissement extreme !

Suite ( Overclocking - Benchmark 1/2 )