AMD Athlon 64

Der AMD Athlon 64 ist ein Mikroprozessor für Computer. Er ist auch bekannt unter seinem Codenamen K8. Er wurde eingeführt anno 2003.

Er vertritt zusammen mit seiner Schwester-CPU AMD Opteron (für Server und Workstations) die erste Generation, die AMDs 64-Bit-Architektur AMD64 (auch x86-64 genannt) besitzt. Der Athlon 64 tritt die Nachfolge des AMD Athlon XP an. Neben der Desktop-Version gibt es noch Modelle für Notebooks (Mobile Athlon 64 bzw. Turion 64 Mobile Technology), für LowCost-Systeme (Sempron) und für den High-End-Markt (Athlon 64 FX). Der Athlon 64 ist generell nicht für Multiprozessor-Systeme geeignet, gleichwohl wurde mit dem AMD Athlon 64 X2 eine CPU auf den Markt gebracht, die zwei CPU-Kerne besitzt (Dual-Core) und sich deswegen ähnlich wie ein Dual-CPU-System verhält.

Architektur

Architektur des Athlon 64/Opteron.

Im Gegensatz zu der lange von Intel propagierten IA64-Architektur (siehe Itanium) setzt AMD bei AMD64 auf volle Kompatibilität zur 32-Bit i386-Architektur, das heißt, dass alle Betriebssysteme und Anwendungsprogramme wie gewohnt nutzbar sind. Zusätzlich steht nun ein 64-Bit-Modus zur Verfügung, der vor allem einen größeren Speicherbereich anzusprechen ermöglicht und teilweise auch Performance-Verbesserungen durch breite Register mit sich bringt. Mit dem Athlon 64 leitete AMD daher einen sanften Übergang von 32- auf 64-Bit-Umgebungen ein.

Allgemein betrachtet erzielt der Athlon 64 den größten Teil seiner Leistungssteigerung gegenüber dem Athlon XP lediglich durch vergrößerte bzw. verbesserte Caches sowie Verbesserungen an den Vorstufen der Recheneinheiten (TLB, Sprungvorhersage etc.). Außerdem wurden die Speicher-Latenzen deutlich reduziert, da der Speichercontroller aus der Northbridge in den Prozessor selbst verlagert wurde.

Anfangs hatte AMD anscheinend Fertigungsprobleme mit dem Athlon 64 und konnte die Modelle nicht hoch genug takten. Die Markteinführung verzögerte sich hierdurch erheblich, und man war ungefähr ein Jahr hinter dem ursprünglichen Zeitplan. Aus diesem Grund war es anfangs ungewiss, ob AMD mit dem Athlon 64 Erfolg haben würde und mit Intels Pentium 4 mithalten könne. Durch Verbesserung in der Fertigung und neuere Steppings des Athlon 64 konnten die Probleme behoben werden. Mit dem Design "Newcastle" (0,13 µm) und dann mit dem "Winchester" (0,09 µm) sind auch relativ hohe Taktraten zu erzielen, und AMD kann nun mit Intel mithalten.

Zwischenzeitlich hat der Athlon 64 den Athlon XP vollständig ersetzt; AMD bietet Modelle mit einem auf dem alten Quantispeed-Rating basierenden Modell-Rating von 2800+ bis 4000+ an und deckt damit eigentlich den gesamten Markt ab, wobei der AMD Sempron speziell für den Budget-Bereich entwickelt wurde.

Zwar erschien BSD und Linux als 64-Bit-Betriebssystem fast gleichzeitig mit den AMD64-Prozessoren. Jedoch fehlte AMD lange noch die wichtige Unterstützung durch ein 64-Bit-Betriebssystem von Microsoft, dessen Entwicklung sich lange verzögerte, das seit April 2005 jedoch als Windows XP Professional x64 Edition auf dem Markt ist. Da Microsoft nur eine 64 Bit-Architektur in Windows unterstützen wollte und AMD schon große Marktanteile gewonnen hatte, schwenkte auch Intel zwischenzeitlich zu AMD64 um und stattete seine neueren Pentium 4-CPU mit der weitestgehend zu AMD64 kompatiblem EM64T-Erweiterung aus. Dass es dazu kam, ermöglichte ein Abkommen zwischen AMD und Intel. AMD ließ Intel ihre AMD64-Technik verwenden, während Intel den SSE2- und SSE3-Befehlssatz an AMD freigab.

Der Athlon 64 X2 ist von Grund auf als Dual-Core CPU konzipiert. Auf einem Prozessor ist nämlich nicht nur die Recheneinheit und der Cache, sondern auch der integrierte Speichercontroller und die Crossbar, an die nur der zweite Kern angeschlossen werden muss, untergebracht.

Als weitere wichtige Neuerung führte AMD mit Cool'n'Quiet eine Stromspartechnik ein, die vorher nur bei Notebook-CPUs zu finden war. Diese Maßnahme führt zu einer reduzierten Verlustleistung beim Teillastbetrieb der CPU und ist sicherlich mit ein Grund für die Popularität des Athlon 64.

Ohnehin waren schon zuvor die AMD-Prozessoren erheblich weniger stromhungrig, und die hohen Verlustleistungen von Intel-Prozessoren führten zu erheblichen Marktverschiebungen. Hatte man AMD zu Athlon-Zeiten (32 bit) immer noch wegen geringerer echter Taktraten im Vergleich zu Pentium als "Billiglieferant" kritisieren können, so hat sich AMD mit dem Athlon 64 nun zu Intel ebenbürtig positionieren können. Mittlerweile wird AMD auch in vielen derjenigen großen Unternehmen als PC-Prozessorenlieferant zugelassen, die jahrelang treu zu Intel standen.

Sockel 754

Der Athlon 64 für den Sockel 754 hat nur ein Single Channel-Speicherinterface und kommt daher mit 754 Pins und vierlagigen Hauptplatinen aus. Dieser Sockel diente als erste Plattform für den Athlon 64, wurde dann aber durch den Sockel 939 ersetzt.

Der Sockel 754 dient noch bis Mitte 2006 als Plattform für den AMD Sempron und für die Notebookprozessoren Mobile Athlon 64, Turion 64 und Mobile Sempron.

Sockel 939

Der Sockel 939 bietet dem Athlon 64 ein Dual-Channel-Speicherinterface (DDR-SDRAM). Wegen der damit verdoppelten Speicherbandbreite verfügen die Sockel-939-CPUs über eine höhere Leistung als die Sockel-754-Modelle. AMD setzt deswegen ein anderes Performance-Rating an, um diesem Umstand gerecht zu werden; so haben Athlon 64 für Sockel 939 bei gleicher Taktfrequenz und L2-Cache ein höheres Rating als beim Sockel 754. Mitte 2006 wurde er durch den Sockel AM2 abgelöst.

Sockel 940

Der eigentlich nur für den AMD Opteron gedachte Sockel 940 wurde anfangs als Plattform für den Athlon 64 FX genutzt, der im Prinzip nur ein umbenannter Opteron war. Dieser wurde aber nach kurzer Zeit für den Desktop-Markt überflüssig, da AMD den Athlon 64 FX auch für den Sockel 939 konzipierte.

Sockel AM2

Der Sockel AM2 unterstützt nun die neue DDR2-Speicher-Anbindung und AMD-V (früher Pacifica genannt) Virtualisierungstechnik. Außerdem gibt es keine Variante mehr mit 1024 KB L2-Cache. Dies behält AMD nur noch den Dual-Core-Prozessoren vor. Aus Marketing-Gründen wird es bald nur noch Dual-Core-Prozessoren geben. Dies wird das Ende für den Athlon 64 bedeuten.

Prozessorkerne

Es gibt verschiedene Prozessorkerne für den Athlon 64, die die Namen Clawhammer, Newcastle, Winchester, Venice, San Diego und Orleans tragen.

Der Clawhammer ist der älteste Kern und die Revision C0 in 130-nm-Fertigung bildete die Basis für die ersten Athlon 64 mit 1 MB L2-Cache, die ab Mitte 2003 ausgeliefert wurden. Der integrierte Speichercontroller der Revision C0 kann bei umfangreichen Speicherbestückungen (insbesondere mit drei oder mehr doppelseitigen Modulen) den RAM nicht hoch takten. Mit drei PC-3200 Speichermodulen mit jeweils 512 MB sind maximal 166 MHz anstatt 200 MHz möglich, mit drei 1GB-Modulen muss der Controller sogar auf 100 MHz Speichertakt herunterschalten, da andernfalls keine sichere Signalübertragung zu gewährleisten ist.

Die neuere Revision CG bot neben verbessertem thermischen Design und erweitertem Powermanagement kleinere Verbesserungen am Speichercontroller und die neue Option "2T Command Rate" an, durch die sich der maximale Speichertakt bei großen Bestückungen erhöhen ließ. Dabei wird eine Speicheranforderung nicht wie üblich einen Takt lang über die Prozessorpins signalisiert, sondern zwei Takte lang durchgehalten, so dass auch bei hohen Takten eine sichere Signalerkennung möglich ist. Diese Sicherheit erkauft man sich durch einen Verlust an Übertragungsbandbreite. Ob der 2T-Overhead durch den höheren Speichertakt aufgewogen werden kann, muss im Einzelfall festgestellt werden. Einige BIOS-Versionen aktivieren 2T standardmäßig in jedem Fall und bremsen so auch "schnelle" Speicherbestückungen unnötig um bis zu 15 % aus.

Der Name Newcastle tauchte erstmals in Verbindung mit Clawhammer-Prozessoren auf, bei denen eine Hälfte des L2-Caches deaktiviert war und die zum Ausgleich mit mehr Takt liefen, um nominell die gleiche Leistung zu erbringen. Später gab es "echte" Newcastle-CPUs, die physisch tatsächlich nur über 512 kB Cache verfügten.

Danach führte AMD den Winchester (Revision D0) ein, der die Migration zur 90-nm-Fertigung darstellt. Durch die kleineren Strukturbreiten wurden höhere Taktraten bei geringerer Leistungsaufnahme möglich. Durch die 90-nm-Fertigung sank die Verlustleistung des Winchester-Kern um bis zu 20% gegenüber dem Newcastle-Kern, somit war eine effektivere Kühlung unter gleichen Bedingungen möglich. Nochmals wurde der Speichercontroller verbessert.

Relativ kurz nach dem Winchester folgte aber bereits der nächste Kern namens Venice (Revision E3, 512 KB L2-Cache), der erstmals SSE3 unterstützte und ebenfalls in 90 nm gefertigt wurde. Bei diesen Prozessoren integrierte AMD erstmals die gemeinsam mit IBM entwickelte "Dual Stress Liner"-Technologie in den Fertigungsprozess. Durch ein gestrecktes Kristallgitter können die Transistoren im Chip bei gleich bleibender Verlustleistung bis zu 24 % schneller schalten. In der Praxis rechnet AMD mit einem um 16 % erhöhten Taktpotenzial, was auf bis zu 2800 MHz Kerntakt hinausliefe. Der Speichercontroller der Revision E3 wurde erneut verbessert. Umfangreiche Speicherbestückungen müssen nur noch mit 2T Command Rate ausgebremst werden, wenn vier doppelseitige DIMMs verwendet werden, die mit DDR-400 laufen sollen. Alle anderen Konfigurationen können mit Maximalgeschwindigkeit betrieben werden. Die Speichertransferleistung wird durch eine verdoppelte Anzahl Write-Combine-Buffer erhöht, und auch die Leistung in Verbindung mit UMA-Grafikkarten wurde gesteigert. Zusätzlich unterstützt der Venice neue Werte für die Speicherteiler. Dadurch wird es möglich, auch (nicht JEDEC-spezifizierte) DDR-500 Speichermodule zu verwenden, wenn das BIOS die neuen Speicherteiler unterstützt. Der Leistungszuwachs durch diese Vergrößerung der Speicherbandbreite bewegt sich allerdings nur im unteren einstelligen Prozentbereich. Kurz nach der Markteinführung des Venice-E3-Steppings wurden drei Fehler in den Prozessoren entdeckt. So erwiesen sich die neuen Write-Combine-Buffer als nicht praxistauglich und mussten beim Booten des Systems vom BIOS abgeschaltet werden. Wenn dies nicht geschah, konnte das System zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt einfrieren. AMD legte den Venice-Prozessor daher schon kurze Zeit später in der korrigierten E6-Version neu auf.

Erstmals gibt es vom Venice auch wieder eine Variante mit 1024 KB L2-Cache, die unter dem Namen San Diego (E4) läuft. Von den Venice-Problemen sind diese CPUs grundsätzlich nicht betroffen.

Der neueste Kern Orleans ist ebenfalls in 90 nm gefertigt, unterstützt aber DDR2-Speicher und die Virtualisierungstechnologie Pacifica. Damit die neuen Fähigkeiten genutzt werden können, besitzt der neue Kern den neuen Sockel AM2.

Modelldaten Sockel 754

Clawhammer C0

Revision C0
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 512 oder 1024 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Single-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, AMD64, Cool'n'Quiet,
Sockel 754, HyperTransport mit 800 MHz (HT800)
Betriebsspannung (VCore): 1,50V
Leistungsaufnahme (TDP): 89 W
Erscheinungsdatum: 23. September 2003
Fertigungstechnik: 130 nm (SOI)
Die-Größe: 193 mm² bei 105,9 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 1800 - 2400 MHz
- 2800+: 1800 MHz (512 KB L2-Cache)
- 3000+: 2000 MHz (512 KB L2-Cache)
- 3200+: 2000 MHz (1024 KB L2-Cache)
- 3400+: 2200 MHz (1024 KB L2-Cache)

Clawhammer CG

Revision CG
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 1024 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Single-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit
Sockel 754, HyperTransport mit 800 MHz (HT800)
Betriebsspannung (VCore): 1,50V
Leistungsaufnahme (TDP): 89 W
Erscheinungsdatum:
Fertigungstechnik: 130 nm (SOI)
Die-Größe: 193 mm² bei 105,9 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 2000 - 2400 MHz
- 3200+: 2000 MHz
- 3400+: 2200 MHz
- 3700+: 2400 MHz

Newcastle

Hinweis: Auch Clawhammer-512 (Hälfte des L2-Cache deaktiviert) mit Revision CG möglich

Revision CG
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 512 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Single-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit
Sockel 754, HyperTransport mit 800 MHz (HT800)
Betriebsspannung (VCore): 1,50V
Leistungsaufnahme (TDP): 89 W
Erscheinungsdatum: 2004
Fertigungstechnik: 130 nm (SOI)
Die-Größe: 144 mm² bei 68,5 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 1800 - 2400 MHz
- 2800+: 1800 MHz (Clawhammer-512 möglich)
- 3000+: 2000 MHz (Clawhammer-512 möglich)
- 3200+: 2200 MHz
- 3400+: 2400 MHz

Venice

Revision E3 und E6
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 512 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Single-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit
Sockel 754, HyperTransport mit 800 MHz (HT800)
Betriebsspannung (VCore): 1,35V - 1,40V
Leistungsaufnahme (TDP): 67 W (ab 3800+: 85,3 W bei Rev. E3 bzw. 89 W bei Rev. E6)
Erscheinungsdatum: April 2005 für Rev. E3 und Juli 2005 bei Rev. E6
Fertigungstechnik: 90 nm (SOI)
Die-Größe: 83,5 mm² bei 68,5 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 1800 - 2400 MHz
- 3000+: 2000 MHz (nur Rev. E6)
- 3200+: 2200 MHz (nur Rev. E6)
- 3400+: 2400 MHz (nur Rev. E3)

Modelldaten Sockel 939

Clawhammer CG

Revision CG
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 1024 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Dual-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit
Sockel 939, HyperTransport mit 1000 MHz (HT1000)
Betriebsspannung (VCore): 1,50V
Leistungsaufnahme (TDP): 89 W
Erscheinungsdatum:
Fertigungstechnik: 130 nm (SOI)
Die-Größe: 193 mm² bei 105,9 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 2000 - 2400 MHz
- 4000+: 2400 MHz

Newcastle

Auch Clawhammer CG mit zur Hälfte deaktiviertem L2-Cache möglich (Clawhammer-512)

Revision CG
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 512 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Dual-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit
Sockel 939, HyperTransport mit 1000 MHz (HT1000)
Betriebsspannung (VCore): 1,50V
Leistungsaufnahme (TDP): 89 W
Erscheinungsdatum: 2004
Fertigungstechnik: 130 nm (SOI)
Die-Größe: 144 mm² bei 68,5 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 1800 - 2400 MHz
- 3000+: 1800 MHz
- 3200+: 2000 MHz
- 3500+: 2200 MHz (Clawhammer-512 möglich)
- 3800+: 2400 MHz

Winchester

Revision D0
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 512 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Dual-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit
Sockel 939, HyperTransport mit 1000 MHz (HT1000)
Betriebsspannung (VCore): 1,40V
Leistungsaufnahme (TDP): 67 W
Erscheinungsdatum: 2004
Fertigungstechnik: 90 nm (SOI)
Die-Größe: 84 mm² bei 68,5 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 1800 - 2200 MHz
- 3000+: 1800 MHz
- 3200+: 2000 MHz
- 3500+: 2200 MHz

Venice

Revision E3 und E6
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 512 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Dual-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit
Sockel 939, HyperTransport mit 1000 MHz (HT1000)
Betriebsspannung (VCore): 1,35V - 1,40V
Leistungsaufnahme (TDP): 67 W (ab 3800+: 85,3 W bei Rev. E3 bzw. 89 W bei Rev. E6)
Erscheinungsdatum: April 2005 für Rev. E3 und Juli 2005 bei Rev. E6
Fertigungstechnik: 90 nm (SOI)
Die-Größe: 83,5 mm² bei 68,5 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 1800 - 2400 MHz
- 3000+: 1800 MHz
- 3200+: 2000 MHz
- 3500+: 2200 MHz
- 3800+: 2400 MHz

San Diego

Revision E4 und E6
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 1024 KB mit Prozessortakt (Sonderversion mit 512 KB, Rest deaktiviert)
Speichercontroller: Dual-Channel DDR-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit
Sockel 939, HyperTransport mit 1000 MHz (HT1000)
Betriebsspannung (VCore): 1,35V - 1,40V
Leistungsaufnahme (TDP): 89 W (3500+: 67 W)
Erscheinungsdatum: April 2005
Fertigungstechnik: 90 nm (SOI)
Die-Größe: 115 mm² bei 114 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 2200 - 2400 MHz
- 3500+: 2200 MHz (nur 512 KB L2-Cache und nur als Rev. E4)
- 3700+: 2200 MHz
- 4000+: 2400 MHz

Modelldaten Sockel AM2

Orleans

Revision F2
L1-Cache: 64 + 64 KB (Daten + Instruktionen)
L2-Cache: 512 KB mit Prozessortakt
Speichercontroller: Dual-Channel DDR2-SDRAM
MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit, Pacifica
Sockel AM2, HyperTransport mit 1000 MHz (HT1000)
Betriebsspannung (VCore): 1,35 - 1,40 V oder 1,20 - 1,25 V, siehe Taktfrequenzen
Leistungsaufnahme (TDP): 62 W oder 32 W, siehe Taktfrequenzen
Erscheinungsdatum: 23. Mai 2006
Fertigungstechnik: 90 nm (SOI)
Die-Größe: 103 mm² bei 81,1 Millionen Transistoren
Taktfrequenzen: 2000 - 2400 MHz
- Standard (TDP: 62 W, VCore: 1,35 - 1,40 V)
  - 3000+: 1800 MHz
  - 3200+: 2000 MHz
  - 3500+: 2200 MHz
  - 3800+: 2400 MHz
- EE SFF (TDP: 32 W, VCore: 1,20 - 1,25 V)
  - 3500+: 2200 MHz

Siehe auch

Weblinks