AMD Athlon 64 und Athlon 64 FX

Mit dem Athlon 64 und Athlon 64 FX gelang es AMD, den Schritt von 32 zu 64-Bit-Technologie zu vollziehen. Apple hatte bereits den MAC G5-Prozessor auf dem Markt gebracht, der ebenfalls ein 64 Bit-Prozessor war. Echter Performancezuwachs konnte aber erst erwartet werden, wenn Betriebssystem und Software für die 64 Bit-Technologie optimiert waren.

Anfangs fehlte AMD noch die wichtige Unterstützung durch ein 64-Bit-Betriebssystem von Microsoft, dessen Erscheinen sich sehr lange verzögerte. Seit April 2005 gibt es jedoch Windows XP Professional x64 Edition. Auf Druck von Microsoft schwenkte auch Intel zwischenzeitlich zu AMD64 um und stattete seine Pentium 4 CPU mit der weitestgehend zu AMD64 kompatiblem EM64T-Erweiterung aus.

 

AMD Athlon 64 Clawhammer

AMD Athlon 64 Newcastle

AMD Athlon 64 Winchester

AMD Athlon 64 Venice

AMD Athlon 64 San Diego

AMD Athlon FX

Bedeutung der Modellnummern

Technische Daten Athlon 64-Prozessoren

 

Vereinfacht dargestellt bedeutet 64-Bit, dass die Arithmetische logische Recheneinheit (engl. Arithmetic Logical Unit, ALU) der Prozessoren 64 Bit (also 8 Byte) gleichzeitig bzw. während eines Taktes verarbeiten kann. Das schließt die externe und interne Gestaltung von Datenbus und Adressbus und die Breite des Registersatzes mit ein. Weiterhin ist der Befehlssatz meistens durchgängig auf 64-Bit ausgelegt, insofern keine abwärtskompatiblen Altlasten ( x86-Architektur) vorhanden sind. Dies bietet gegenüber einer 32-Bit-Architektur im wesentlichen zwei Vorteile: es können mehr als 4 GB Arbeitsspeicher direkt addressiert werden, und dafür ausgelegte Anwendungen profitieren von der beschleunigten Arithmetik mit großen Zahlen. Nachteile sind ein erhöhter Speicherbedarf der meisten Programme und ein größerer Prozessor-Die, was zu höheren Preisen führt.

Der AMD Athlon 64 ist konzeptionell ein 64-bit Aufsatz auf einen AMD Athlon XP. Wenn man sich den Aufbau eines Athlon (K7) und eines Athlon 64 K8-Prozessors ansieht, stellt man eine 90%ige Ähnlichkeit fest. Alle Register sind beim K8 64 Bit lang. Im 64-bit-Modus verfügt der Prozessor über je 8 zusätzliche Integer- und SSE-Register

 

Wird der Athlon 64-Prozessor in einem 32 Bit-Betriebssystem wie Windows 2000 oder XP betrieben, wird er in den Legacy-Mode geschaltet. Der Athlon 64 verhält sich dabei wie ein normaler x86-Prozessor und ist voll kompatibel zu vorhandenen 16- und 32-Bit-Betriebssystemen und -Anwendungen. Alle Register sind beim K8 64 Bit lang, wenn der Prozessor im 32-bit-Kompatibilitätsmodus läuft, werden die obersten 32 Bit jedes Registers auf 0 gesetzt. Die zusätzliche Integer- und SSE-Register liegen im 32-bit-Modus ebenfalls brach. Für Fließkommaoperationen ist zwar aus Kompatibilitätsgründen eine x87-FPU auf dem Prozessor vorhanden, der Hersteller empfiehlt jedoch, für Fließkommaberechnungen generell nur noch die performantere und problemfreiere SSE-Einheit zu benutzen, die nun auch SSE2 beherrscht.

Steht dem Athlon 64 dagegen ein 64-Bit-Betriebssystem wie Linux oder Windows XP 64 zur Seite, schaltet die CPU in den Long Mode getauften Betriebsmodus. Der Long Mode der AMD64-Technologie beinhaltet zwei Untermodi: den 64-Bit-Mode und einen Compatibility Mode. 64-Bit-Anwendungen arbeiten im entsprechenden 64-Bit-Mode. Den Programmen steht somit auch der volle Adressraum mit einer Breite von 64 Bit zur Verfügung. Der Compatibility Mode wird eingeschaltet, wenn man auf diesem 64 Bit-Betriebssystem ältere Anwendungen und Software betreibt, die noch für den 32 Bit-Modus programmiert wurden.

HyperTransport-Bus

Neu ist auch der Controller für den HyperTransport-Bus. Über diesen neuen seriellen Hochgeschwindigkeitsbus, der den klassischen Front Side Bus ersetzt, läuft die gesamte Kommunikation des Prozessors mit Komponenten wie Speicher, PCI-Bus oder AGP-Grafikkarte. Weitere, eigentlich nicht architekturspezifische Verbesserungen der Prozessoren gegenüber den aktuellen Athlon XP-Modellen betreffen den Cache, die TLB-Puffer und die Sprungvorhersage, um eventuelle Leistungsverluste durch die von 10 auf 12 Stufen verlängerte Pipeline der Ausführungseinheiten (17 Stufen bei den SSE-Einheiten) auszugleichen.

Cool & Quiet und NX-Bit

Mit der Markteinführung der AMD-64-Familiegibt es außerdem 2 weitere Funktionen: Cool & Quiet sowie das NX-Bit (non-execute). Cool & Quiet muss vom Bios des Motherboards unterstützt werden und ermöglicht die dynamische Reduktion der CPU-Taktung in mehreren Schritten. Windows wird sich automatisch darum kümmern, wenn man das Energieschema auf Tragbarer Computer/Laptop setzt und AMDs CPU-Treiber installiert.
Cool & Quiet ist außerordentlich attraktiv, da es hilft, den Stromverbrauch und die Hitzeentwicklung der CPU zu reduzieren, sobald sie im Ruhezustand ist oder nur mit geringer Last arbeitet. Wer Overclocking-Ambitionen hat und Cool & Quiet aktiviert, muss aufpassen, da der Cool & Quiet-Mechanismus alle CPU-Multiplikator-Einstellungen, die man manuell gesetzt hat, überschreibt und auf die Standard-Einstellungen des Prozessors zurücksetzt, wenn man wieder auf die maximale Taktrate geht.
Das NX-Bit hilft, Buffer-Overflow-Exploits zu vermeiden, die für viele Virus- und andere Attacken typisch sind. Bei Windows XP ist Service Pack 2 erforderlich, um diese Funktion zu aktivieren.

Sockel 754

Der Athlon 64 für den Sockel 754 hat nur ein Single Channel-Speicherinterface und kommt daher mit 754 Pins und 4-lagigen Hauptplatinen aus. Dieser Sockel diente als erste Plattform für den Athlon 64, wurde dann aber durch den Sockel 939 ersetzt.
Der Sockel 754 wird langfristig als Plattform für den AMD Sempron und für die Notebookprozessoren Mobile Athlon 64, Turion 64 und Mobile Sempron dienen.

Sockel 939

Der Sockel 939 bietet dem Athlon 64 ein Dual Channel-Speicherinterface. 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. Deswegen haben Athlon 64 für Sockel 939 bei gleicher Taktfrequenz und L2-Cache ein höheres Rating als beim Sockel 754.
Der Sockel 939 wurde nach dem Sockel 754 eingeführt, und AMD plant diesen Sockel langfristig für den Mainstream-Markt. Ab 2006 wird er wahrscheinlich durch den neuen Sockel M2 ersetzt werden, der mit neuen Features wie DDR2-RAM-Unterstützung aufwartet.

Sockel 940

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

 

Es wurden verschiedene Varianten des Athlon 64 herausgebracht: Clawhammer-, Newcastle- wurden in 130 nm-Techologie gefertigt unfd unterstützten 3DNow! Professional SSE und SSE2 sowie als Stromsparmehanismus Cool'n'Quiet. Bei den Winchester-Kernen wurden der 90nm Prozess eingeführt. Venice- und San Diego-Kerne werden ebenfalls in 90 nm-Technologie gefertigt unterstützen zusätzlich SSE3.

 

Der Athlon 64 FX erhielt anfangs den Sledgehammer-Kern, des Opterons. Er benötigte deshalb auch den Sockel 940 und für die beiden Speicherkanäle zwei Registered-DIMMs mit DDR400-Chips. Mit Einführung des Sockel 939 erhielten die FX Prozessoren dann Sledghammer Kerne, später San Diego-Kerne

Athlon 64 Clawhammer

Der Clawhammer ist der älteste Kern, und die Revision C0 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 512MB-DDR400-Modulen sind maximal 166 MHz anstatt 200 MHz möglich, und 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 Maximal-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.

Athlon 64 Newcastle

Der Name Newcastle tauchte erstmals in Verbindung mit 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-Athlon 64, die physisch tatsächlich nur über 512 kB Cache verfügten. Wurden die ersten Newcastle Athlon 64 noch für den Sockel 754 produziert, so gab es die letzten Newcastle-Athon 64 für Sockel 754 und Sockel 939. Die gegenüber dem Socke-754 zusätzlichen 185 Kontakte werden für einen zweiten Speicherkanal und zusätzliche HyperTransport-Schnittstellen benötigt. Der Sockel 939 kann mit zwei bzw. vier Speicherriegeln im Zwei-Kanal Modus betrieben werden. Dadurch, daß jeder Riegel für sich über ein 64 Bit breites Speicher-Interface angesprochen wird, verdoppelt sich die verfügbare Speicherbandbreite auf bis zu 6.4 GB/s (PC3200/DDR400). Beim Betrieb im Ein-Kanal Modus stehen wie beim Sockel 754 maximal 3.2 GB/s (PC3200/DDR400) zur Verfügung.

Athlon 64 Winchester

Mit dem Winchester-Kern (Revision D0) führte AMD die Migration zur 90-nm-Fertigung durch. Die kleineren Strukturbreiten ermöglichen zukünftig höhere Taktraten bei geringerer Leistungsaufnahme. Der Wechsel von einem 130-nm- zu einem 90-nm-SOI-Prozess (Silicon on Insulator) reduzierte AMDs mittlere thermische Leistungsaufnahme von maximal 89 Watt auf 67 Watt bei bis zu 2,2 GHz. Desweiteren wurde nochmals der Speichercontroller verbessert. Alle Prozessoren mit Wincheste-Kern sind für Sockel 939 ausgelegt.

Athlon 64 Venice

Mit den Venice-Kernen hielt dann auch SSE3 bei AMD Einzug. Intel hatte SSE2 und SSE3 bereits vor einiger Zeit im Rahmen eines Lizenzaustausch-Abkommens mit AMD lizenziert, im Gegenzug darf Intel die AMD64 Architektur in ihre Prozessoren integrieren. Ansonsten verfügen die Venice-Kern über die gleichen Fähigkeiten wie die bisherigen Vorgängermodelle verfügen also z.B. über einen 512 KB gr0ßen L2 Cache. Neu sind die seitens AMD eingeführten variablen Kernspannungen, die man uns gegenüber mit 1,35 bis 1,40V nannte und prinzipiell nur dazu beitragen soll, die Produktionsausbeute zu verbessern. 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 DDR400 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.

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.

Athlon 64 San Diego

Gleichzeitig mit den Venice-Kernen kamen die San-Diego Kerne auf den Markt. Diese besitzen im Gegensatz zu den Venice-Kernen einen 1 MB-Großen L2 Cache. San-Diego Kerne wurden dann auch für die neuen FX 55 und FX 57 Modelle verwendet. Von den Problemen der Venice-Kerne waren diese Prozessoren nicht betroffen.

Athlon 64 FX

Für den Athlon 64 FX hat AMD ein neues Vermarktungskonzept eingeführt: Da die Taktrate ohnehin nur noch bedingt Aussagekraft über die Leistungsfähigkeit eines Prozessors besitzt, verzichtet man beim Athlon 64 FX völlig auf irgendwelche Taktangaben im Namen und nennt alle derartigen Prozessoren einfach Athlon 64 FX. Der Kunde soll sicher sein, immer den schnellsten Athlon 64 zu kaufen, wenn er einen neuen Athlon 64 FX ersteht. Bringt AMD einen schnelleren Athlon 64 FX auf den Markt, verschwindet sein Vorgänger vom Markt. Da dies nur für Neuware gilt, und ansonsten auf dem Gebrauchtmarkt Chaos eintreten würde, gibt es trotzdem noch eine Modellbezeichnung, die jedoch nichts mehr mit irgendwelchen Taktraten zu tun hat: Der erste FX-Athlon heißt Athlon 64 FX-51 (2,2 GHz), der nächste FX-53 (2,4 GHz) usw. Die Modellbezeichnung hat keinen bestimmten Bezug und soll nur die Leistungsfähigkeit innerhalb der Modellreihe beschreiben. Alle FX-51 Modelle besaßen den vom Opteron her bekannten Sledgehammerkern. Bis 1.Juni 2004 wurde dieser Kern auch in den FX-53 Modellen verbaut, danach erhielten alle weitern Modelle den Clawhammer C0-Kern.

Der Athlon 64 FX, ähnlich wie der Pentium 4 Extreme Edition, ist vor allem für Highend-Systeme konzipiert. Er bietet extreme Rechenleitung für 3D Computerspiele, Videobearbeitung und andere rechenintensive Anwendungen. Der FX besitzt im Gegensatz zum normalen Athlon 64 immer ein Alleinstellungsmerkmal, das variieren kann. Das Modell FX-51 hatte als einziger zu seiner Zeit Dualchannel RAM (da es ein verkappter Opteron war), beim Modell FX-53 für den Sockel 940 war es genauso, während der FX-53 für den Sockel 939 als einziger Athlon 64 Dualchannel und 1MB L2-Cache zur Verfügung hatte (die ersten "normalen" Dualchannel Athlon 64 CPUs für den Sockel 939 besaßen nur noch 512KB). Das Modell FX-55 ist zum ersten mal mit dem Athlon 64 identisch (der Athlon 64 4000+ ist nur ein umgetaufter Athlon 64 FX-53 und besitzt somit auch 1MB L2-Cache), aber mit einer erhöhten Taktfrequenz von 2,6 GHz. Die Sockel 940 Varianten FX-51 und FX-53 waren auch bis auf den RAM-Takt und das Package baugleich mit den AMD Opterons der 100er Serie und waren auf die Sockel 940 Mainboards angewiesen mit dem damals noch nicht spezifizierten 200 MHz DDR registered RAM. Den FX-53 gab es dann auch für den Sockel 939, was den Verzicht auf teuere Server- und Workstationhardware erlaubte. Ab dem FX-55 gibt es diesen Prozessor nur für den Sockel 939. In den letzten Athlon FX-Versionen kommt dann der San Diego Kern mit 1MB L2-Cache und nochmals verbesserten Speichermanagment zum Einsatz.

Einen FX-59 gab es nicht mehr, Anfang 2006 brachte AMD dann als Antwort auf den Pentium D EE955 (Pentium D Dual-Core mit aktiviertem HT) den Ahtlon FX-60, ebenfalls mit Dual-Core Kern, auf den Markt.

Bedeutung der Modellnummern beim Athlon 64

AMD führte mit dem Athlon XP das bereits von den K5- und K6-Prozessoren bekannte Performance-Rating ein. Wegen des neuen Namens für die Mikroachitektur erhielt dieses Rating-System den Namen QuantiSpeed-Rating . Hintergrund dieser Maßnahme war die Tatsache, dass Intel die Netburst-Architektur des Pentium 4 und des auf ihn basierenden Celeron auf eine möglichst hohe Taktrate auf Kosten der Rechenleistung pro Takt optimiert hatte, während bei den AMD Prozessoren mit Quantispeed-Architektur die Rechenleistung pro Takt maximiert wurde. Wegen dieses Philosophie-Wechsels klaffte die Taktrate der QuantiSpeed-Prozessoren und der Netburst-Prozessoren weit auseinander obwohl die resultierende Leistung für den Anwender je nach Modell identisch war. Da die Taktrate aber für viele Kunden ein wichtiges Kriterium ist und AMDs Athlon CPUs da klar im Nachteil waren, wurde eben jenes QuantiSpeed-Rating entwickelt und mit dem Athlon XP und später dem Sempron eingeführt. Da sich die Rahmenbedingungen bei der Markteinführung des Athlon 64 nicht signifikant geändert haben, setzte AMD auch bei diesen CPUs auf ein Rating-System, welches Taktfrequenz, Größe des L2-Cache und die Anzahl der Speicherkanäle berücksichtigt. Offiziell nennt AMD diese Nummern nicht mehr Quantispeed-Rating sondern nur noch Modell Numbers, die Methodik und die Absicht dahinter ist aber gleich geblieben. Mit Einführung der LGA775-Prescotts stieg Intel dann ebenfalls auf ein neues, rating-basiertes Modellnummernschema um.

Technische Daten der einzelnen Modelle:

Quellen:
http://www.amd.com
http://balusc/xs4all.nl
http://www.tecchanel.de
http://www.tomshardware.de
http://de.wikipedia.org

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AMD Desktop-Prozessoren:
AMD K5
AMD K6, K6-2, K6-III
Athlon
Athlon XP
Athlon 64, Athlon 64 FX
Athlon 64 X2
Duron
Sempron

AMD Server-Prozessoren:
Athlon MP
Opteron

AMD Mobile Prozessoren:
Mobile K6
Mobile Athlon
Athlon XP-M
Mobile Athlon 64
Athlon Turion 64
Mobile Duron
Mobile Sempron

 

Übersicht AMD-Prozessoren

Übersicht Intel-Prozessoren