مقاله تخصصي
Intel Atom

مقدمه
امروزه با کلماتي نظير Netbook و Nettop مواجه مي شويم. واژه Netbook به عنوان معادلي براي Notebook در نظر گرفته شده است که جهت مشاهده فيلم، شنيدن موسيقي، استفاده در انواع آموزش‌ها به ‌خصوص آموزش الکترونيک، جستجو و گشت و گذار در اينترنت، استفاده از پست‌الکترونيک، شرکت در شبکه‌هاي اجتماعي و ... استفاده مي شود. به ‌همين دليل کلمه Note در Notebook با واژه Net جايگزين شده تا تاکيد بيشتر در کاربرد آن انجام شده باشد. به ‌همين صورت خانواده Nettop معادل محدودتري براي دستگاه Desktop است که مي‌تواند توسط کاربران استفاده شود . اگر به شيوه استفاده کامپيوتر در منازل و اداره‌ها توجه کنيم درمي يابيم که در بيشتر موارد از تمامي امکانات کامپيوتر استفاده‌ صحيح نمي‌شود. جايگزين کردن Desktop با خانواده ارزان‌قيمت و کارآمد Nettop مي‌تواند مزاياي فراواني براي سازمان ها , ادارات , بانک‌ها ، شرکت‌ها و خانواده‌ها داشته باشد. در اين راستا مي‌توان به مزايايي نظير کاهش هزينه خريد سخت‌افزار، کاهش قابل توجه مصرف انرژي، کاهش ابعاد و وزن دستگاه و ايجاد تعادل ميان امکانات مورد نياز و قابليت‌هاي سخت‌افزاري اشاره نمود. با توجه به مزاياي مطرح شده , در عمل Nettopها جايگزين Thin Clientها شده اند و امروزه دستگاه‌هايي که به عنوان Thin Client مي شناسيم در اصل Nettop مي باشند. مصرف برق و ادغام يک پردازنده در ابزارهاي قابل حمل يا Embedded هميشه دغدغه توليدکنندگان پردازنده بوده است. پردازنده خانواده Intel Atom گونه جديدي از پردازنده‌ها است که براي استفاده در Netbook , Nettop و وسايل ارتباطي قابل حمل طراحي و پياده سازي شده است.

پردازنده Intel Atom
پردازنده Atom از 23 مهرماه 1386 بنا به تمايل شرکت Intel در ساخت پردازنده اي کم مصرف براي پروژه OLPC و يا (One Laptop Per Child) آغاز گرديد. در اين روز شرکت Intel نام پروژه پردازنده کم مصرف جديد خود را از Menlow به Silverthorne تغيير داد و براي محصولات آُن پروژِه نام تجاري Atom را انتخاب نمود. در بهار 1387 شرکت Intel با توجه به تغييرات در معماري پروژه خود , Diamondville را به عنوان جايگزين Silverthorne معرفي نمود. اولين محصول تجاري در همکاري نزديک با شرکت Lenovo و در ساخت IdeaPad U8 با صفحه نمايش 4.5 اينچي تمام لمسي متبلور گرديد. پس از آن و با موفقيت چشمگير شرکت Intel در اين زمينه ديگر توليد کنندگان عمده کامپيوتر همراه نيز تمايل به استفاده از اين پردازنده پيدا نمودند. مهمترين مزيت پردازنده هاي Atom , ميزان مصرف پائين انرژي آنها مي باشد(2 تا 8 وات).. اما توجه داشته باشيد که يک پردازنده بسيار کم مصرف بايد از لحاظ قدرت عملياتي در سطح مناسبي باشد چرا که اجراي بدون نقص برنامه هاي نسبتا سنگين امروزي نيازهاي پردازشي نسبتا بالائي را به پردازنده تحميل مي نمايد. بنابراين معماري پردازنده Atom به صورتي است که دو ويژگي کم مصرف بودن و توان عملياتي مناسب را فراهم مي نمايد.

شرکت Intel پردازنده Atom را تا حد امکان کوچک و باريک طراحي نموده و با حذف برخي از واحدهاي موجود در پردازنده هاي متعارف (که کاربرد اصلي و حياتي ندارند) , تا حد ممکن توان مصرفي را پايين آورده است. اندازه و قابليت هاي پردازنده Atom باعث شده که اين پردازنده تاکنون داراي جالب ترين طراحي باشد. اين پردازنده با فناوري 45 نانومتري توليد و تعداد ترانزيستورهاي آن به 47,212,207 مي رسد که در يک فضاي تقريبا 25 ميليمترمربعي گنجانُيده شده اند.28% از اين ترانزيستورها در هسته پردازنده Atom مورد استفاده قرار گرفته اند. در حاليکه 22%از ترانزيستورها براي پياده سازي حافظه نهان سطح دو (L2)در نظر گرفته شده است. پراکندگي بقيه ترانزيستورها به صورت 9% براي BIU , 35% براي IO FSB و 7% براي PLL+FUSE تقسيم شده اند.پردازنده Atom نرم افزارهاي سازگار با معماري x86 را اجرا مي کند که با پردازنده هاي قابل حمل متعارف همخواني دارد. از اين رو مي توان هر نرم افزاري را که بر روي پردازنده هاي Core 2 Duo اجرا مي شود , روي پردازنده Atom اجرا نمود. اين مساله يک مزيت عمده محسوب مي شود. زيرا براي اجراي نرم افزارهاي x86 بر روي پردازنده هاي ARM بايد تغييرات بسياري را بر روي نرم افزارها اعمال نمود. پردازنده هاي ARM در حال حاظر اصلي ترين رقيب اصلي پردازنده هاي Atom به شمار ميروند. برنامه‌هاي پر کاربرد بسياري همچون Adobe وجود دارند که نسخ مختلفي براي تلفن همراه و تلفن هاي هوشمند و PDA از اين نرم افزار توليد شده است. اما اين مسئله که دستگاهي فقط يک نسخه خاص از يک نرم افزار را اجرا کند , باعث بوجود آمدن محدوديت در استفاده از نرم افزارهاي مختلف خواهد شد. ابزارهاي مجهز به پردازنده Atom اين مشکل را نخواهند داشت و به دليل سازگاري با x86 مي توان تمامي نرم افزارهايي را که بر طبق معماري x86 ساخته شده اند را بر روي آن ها اجرا نمود. بنابراين مي توان تمامي برنامه هاي Firefox , Google Earth, Office , بازي ها و کارهاي گرافيکي نظير Photoshop را بر روي وسايل قابل حمل مبتني بر پردازنده Atom نصب و اجرا نمود. شرکت Intel عنوان نموده با استفاده از پردازنده هاي Atom قادر است سيستم‌هايي با توان مصرفي در حد ميلي وات و قدرت محاسباتي در حد Peta FLOP در اختيار مشتريانش قرار دهد.
شرکت Intel پردازنده Atom را در 14 مدل عرضه نموده است. فرکانس کاري پردازنده‌هاي Atom از 800 مگاهرتز شروع و به 2 گُيگاهرتز خاتمه مي‌يابد. توان مصرفي پردازنده بُين 65/0 الي 8 وات متغيير است. 13 مدل پردازنده Atom از تکنولوژي HT پشتيباني مي نمايند. پردازنده Atom شامل مجموعه دستورات و توابع مدرن SIMD ، SSE3 ،‌ EM64T مي‌باشد. در اين پردازنده حافظه نهان L1‌ ، ظرفيتي برابر با 56 کيلوبايت دارد که 24 کيلوبايت براي داده و 32 کيلوبايت براي دستورات به صورت نامتقارن درنظر گرفته شده است. فرکانس گذرگاه اين پردازنده نيز برابر با 400 يا 533 مگاهرتز مي باشد.
پردازنده Atom اولين پردازنده In-Order x86 پس از Pentium مي باشد. همانطور که اطلاع داريد پردازنده‌ دستورالعمل‌ها را به صورت ترتيبي (يک به يک) دريافت مي‌نمايد و آنها را پيش از اجرا در خط لوله (pipe) قرار مي‌دهد.در معماري مبتني بر In-Order دستورات به همان ترتيبي که دريافت شده‌اند ، اجراء خواهند شد. در حاليکه در يک معماري مبتني بر Out-Of-Order‌ ، امکان جابجايي ترتيب دستورات در خط لوله وجود دارد. به عنوان نمونه در نظر بگيريد يک دستور محاسباتي ، يک دسترسي به حافظه و يک محاسبه ديگر وجود داشته باشند. در معماري مبتني بر In-Order‌ ، سه دستور فوق به ترتيب اجراء خواهند شد ولي در معماري مبتني بر Out-Of-Order امکان اجراي دو دستور محاسباتي به صورت همزمان وجود دارد و سپس دسترسي به حافظه انجام مي‌شود. بديهي است که در حالت Out-Of-Order‌ در زمان صرفه‌جويي قابل ملاحظه‌اي صورت مي‌پذيرد. در معماري‌هاي متداول In-Order ، خط لوله کوتاه انتخاب مي شود ولي در پردازنده Atom شاهد هستيم که يک خط لوله 16 مرحله‌اي وجود دارد!
13 مدل از خانواده Atom از فناوري HT يا HyperThreading استفاده مي‌نمايند. HT تکنولوژي است که به همراه پردازنده Pentium 4 ارائه گرديد. با استفاده از اين فناوري ، پردازنده مي‌تواند دو رشته (Thread) را با استفاده از بخش‌هاي بلااستفاده خط لوله ، به صورت همزمان پردازش نمايد.البته اين تکنولوژي قابليت مقايسه با دو هسته پردازشي واقعي را ندارد و به اندازه آن کارآمد نيست. اما شرايطي را بوجود مي‌آورد که سيستم عامل تصور مي‌کند که دو رشته را همزمان مي‌تواند پردازش نمايد و بدينوسيله عملکرد کلي سيستم افزايش مي‌يابد. همانطور که فوقا اشاره گرديد در عين حاليکه معماري پردازنده Atom‌ از نوع In-Order‌ است ولي داراي خط لوله 16 مرحله‌اي است که شايد موجب تعجب باشد ليکن واقعيت اين است علت طولاني بودن خط لوله ، بهره‌برداري از فناوري HT‌ است. به بيان ديگر وجود خط لوله طولاني در پردازنده Atom باعث مي‌شود که تکنولوژي HT‌ به صورت موثرتري وظايف خود را انجام دهد و در عين افزايش عملکرد ، توان مصرفي پردازنده افزايش نمي‌يابد.
پردازنده Atom‌ داراي دو ALU (واحدي که وظيفه انجام محاسبات عدد صحيح را بر‌عهده دارد) و دو FPU (واحدي که عمليات مميز شناور را انجام مي‌دهد. اين واحد براي اجراي بازي‌ها اهميت زيادي دارد) مي‌باشد. اولين ALU وظيفه عمليات shift و دومين ALU وظيفه مديريت تمام پرش‌ها(jumps)‌ را برعهده دارد.تمام عمليات ضرب و جمع ، حتي در اعداد صحيح به صورت خودکار به واحدهاي FPU فرستاده مي ‌شوند. اولين FPU‌از نوع ساده بوده و مخصوص عمليات جمع است.دومين FPU توانايي اجراي دستورات SIMD را دارد و عمليات ضرب/تقسيم انجام مي‌دهد.
حافظه نهان نامتقارن L1‌ مجموعا 56 کيلو‌بايت ظرفُيت دارد (24K‌ داده و 32K دستور). در روّش‌هاي استاندارد براي پياده‌سازي حافظه نهان از 6 ترانزيستور استفاده مي‌شود ولي شرکت Intel از 8 ترانزيستور براي ذخيره‌سازي يک بيت استفاده نموده است. اين امر از يکسو موجب کاهش ولتاژ اعمال شده به حافظه نهان براي نگهداري اطلاعات مي‌شود و از سوي ديگر باعث کاهش ظرفيت حافظه نهان در پياده‌سازي مي‌گردد. بنابراين فقط 24کيلو‌بايت به داده اختصاص يافته است. حافظه نهان L2 ظرفيتي برابر با 512 کيلو‌بايت دارد و مي‌تواند با فرکانس پردازنده کار کند. اين حافظه نهان تقريبا ساختاري مشابه حافظه نهان L2 بکار رفته در پردازنده Core 2 Duo دارد با اين تفاوت که در Core 2 Duo‌ شاهد تاخير 14 سيکلي حافظه نهان L2 هستيم ولي در Atom اين تاخير برابر با 16 سيکل است. طراحي پردازنده Atom به صورتي است که اگر يک برنامه به تمام حافظه نهان L2‌ نيازي نداشته باشد ، امکان غيرفعال نمودن بخشي از آن وجود دارد. در اين حالت ظرفيت حافظه نهان L2 از 512 به 128 کيلو‌بايت کاهش يافته و اين مسئله منجر به کاهش توان مصرفي پردازنده Atom مي‌شود. مشخصات عمومي 14 مدل از پردازنده Atom را در جدول 1 مشاهده مي ‌نمائيد.

مدل 330 ارزش بررسي بيشتر را خواهد داشت زيرا اين مدل به صورت دو هسته‌اي (Dual Core) پيادةسازي شده و طبيعتا به دليل استفاده از تکنولوژي HT داراي چهار هسته منطقي خواهد بود. به بيان ديگر سيستم عامل پردازنده Atom 330 را يک پردازنده چهار‌هسته‌اي مي‌شناسد.

چيپ‌ست SCH
شرکت Intel جهت پردازنده کم‌مصرف خود ، پل‌شمالي و جنوبي (North and South Bridge) را با يکديگر ادغام و تراشه SCH‌ يا Poulsbo را ارائه نموده است. SCH‌ به عنوان يک تراشه واحد ، چيپ‌ست کاملي است.تراشه SCH شامل يک مدار گرافيکي GMA‌ ، يک مدار صداي دوکاناله HD ، يک کنترل‌کننده PATA100‌ و يک UltraDMA 5MB/s مي‌باشد. امکان پشتيباني از دو مسير PCI Express‌ ، سه کنترل‌کننده SDIO/MMC‌ و هشت درگاه USB در اُين چيپ‌ست فراهم شده است. احتمالا قرار گرفتن کنترل‌کننده PATA تعجب آور است ولي بايد توجه داشت که اکثر کنترل‌کننده‌هاي مورد استفاده در حافظه‌هاي Flash از نوع PATA مي‌باشند. بخش گرافُيکي چيپ‌ست SCH به GMA 500 اختصاص يافته است.GMA 500 از يک معماري متحد‌شده (unufied) استفاده نموده و قابليت پشتيباني از Shader 3.0 را دارا مي‌باشد. قابلُيت‌هاي ديگر اين چيپ‌ست پشتيباني سخت‌افزاري براي کد‌گشايي فرمت‌هاي H.264 , MPEG2 , MPEG4 , WMV9مي‌باشد.
اکنون سوالي مطرح مي‌شود. آيا Nettop يا Netbook مبتني بر پردازنده Atom عملا کم‌مصرف مي‌‌باشند؟ پاسخ مثبت است ولي مشروط به اينکه نتيجه‌گيري ذيل در کاربرد آنها منظور گردد. نتيجه گيري
بطوريکه اشاره گرديد پردازنده Atom با توجه به مدل ، توان مصرفي بين 65/0 تا هشت وات دارد بنابراين ويژگي کم‌مصرف بودن به انتخاب چيپ‌ست برد‌اصلي بر‌مي‌گردد. توان مصرفي چيپ‌ست SCH در حدود 3/2 وات است که عملا مصرف کمي است. بنابراين سيستمي مبتني بر پردازنده Atom و چيپ‌ست SCH ، عملا سيستمي کم مصرف مي‌باشد
اما چنانچه در برد‌ اصلي Nettopها از چيپ‌ست i945‌ يا 945G استفاده ‌شود ، پردازنده Atom توان مصرف کمي دارد و برد اصلي ، بيشترين توان را مصرف مي‌نمايد. اين گونه برد‌هاي اصلي در حالت متعارف و بيکاري(Idle) 59 وات و در حالت حداکثر فشار‌کاري، 62 وات توان مصرفي دارند. لذا اين‌گونه سيستم‌ها عملا کم‌مصرف شناخته نمي‌شوند.
توان عملياتي پردازنده Atom براي استفاده در ادارات ، بانک‌ها ، سازمان‌ها و منازل مناسب است ولي کم مصرف بودن آن منوط به انتخاب صحيح برداصلي يا انتخاب صحيح چيپ‌ست مي‌باشد.