Intel Core i7 – 3770K Ivy Bridge

Mikroarhitektura

Sandy Bridge je u odnosu na Nehalem doneo sledeće bitne novosti:

• Keš za dekodirane mikrooperacije (slično trace cache-u kod Netburst arhitekture)

• Phyiscal Register File

• Dvostruki 128-bitni load

• Povećana veličina buffera i „instrukcija u letu“ – bolje Out Of Order izvršavanje

• Poboljšan memorijski kontroler koji zvanično podržava DDR3 1600 memoriju

• 256-bitna Ring Bus arhitektura koja povezuje L3 keš, jezgra, GPU sistemski kontroler

• Turbo Boost 2.0

Ovo su stavke koje bi trebalo da ubrzaju izvršavanje tradicionalnog koda bez rekompajliranja. Da bi novi proizvod bio zaokružena celina, dodat je i novi set SIMD instrukcija – AVX.

Ovo je skraćenica od Advanced Vector Extensions. Ovo nije ekstenzija dosadašnjeg SSE seta instrukcija već je u pitanju potpuno novi format. AVX koristi proširene 256-bitne registre za rad nad 256-bitnim vektorima.

Ivy Bridge donosi još neka poboljšanja na polju mikroarhitekture. Prilikom testiranja na istim frekvencijama utvrdili smo da je rad sa memorijom nešto bolji. Vreme pristupa je smanjeno za oko 10%. Intel je najverovatnije dodatno unapredio Ivy Bridge-ov memorijski kontroler, kao i keš arhitekturu i prefetch algoritme koji služe da se odgovarajući podaci nalaze u L1 i L2 kešu baš onda kada su najpotrebniji.

Primetno je da vreme pristupa L3 keša znatno smanjeno u odnosu na Sandy Bridge, a kao rezultat toga izmerena je i nešto niža latencija L3 keša. Ovo je najverovatnije rezultat povećane brzine „ring bus“ magistrale koja povezuje L3 keš, procesorska jezgra, GPU i sistemski agent. Intel inače nije striktno naveo o kakvim se unapređenjima na polju same mikroarhitekture radi i koja to unapređenja dovode do povećanog IPC faktora, osim eventualno već postojeće instrukcije za manipulaciju stringovima, REP MOVSB/STOSB koje sada efikasnije vrše operacije sa stringovima. Inače, njihova funkcija je vršenje višestrukih pomeranja bajtova kroz memoriju.

Primera radi bajt odgovara jednom slovnom karakteru, a ovakva višestruka pomeranja kroz memoriju koriste se u algoritmima koji intenzivno rade sa karakterima i stringovima, kao na primer HTML parseri koji su sastavni deo browsera ili na primer heš SHA algoritam koji se koristi kao kriptografska funkcija. Konkretno mnemonički kod REP znači „repeat“, dok MOVSB znači „move“ – pomeriti, a SB znači „single byte“.

Pored ovoga Intel je implementirao novi DRNG – Digital Random Number Generator koji predstavlja endžin za generisanje slučajnih brojeva. Njegova primena je zaista široka, ali najviše se koristi prilikom kreiranja enkripcijskih ključeva i u igrama koje bi trebalo da imaju napredan AI (Artificial Intelligence). Konkretno, DRNG se znatno razlikuje od klasičnih softverskih rešenja koja su obični pseudo-random generatori.

S druge strane implementacija „pseudo random“ generatora nije uopšte trivijalan zadatak u teoriji algoritama, iz prostog razloga jer se zahteva da generisanje „pseudo“ slučajnih brojeva bude što „prirodnije“. Ovo je jednostavno teško izvesti zbog determinističke prirode računarskih programa koji zahtevaju da se program izvršava po tačno zadatoj proceduri. To opet navodi na činjenicu da random generator zapravo i nije random, jer je vezan za matematički algoritam koji mu je zadat kroz programski kod.

Primera radi Mersenne Twister MT19937 PRNG generator za reč dužine 32-bita (4 bajta) ima periodičnost od 2^19937-1, što nije nikako garant za ozbiljniju primenu u enkripciji iako ima veoma dugu periodu ponavljanja.

Nasuprot PRNG-u, pravi random generator TRNG (True Random Number Generator) kao izvor entropije (mere neuređenosti) koristi na primer Geiger-Millerov brojač koji meri broj čestica jonizujuće radijacije koja dolazi iz prirode.

Problem sa ovakvim pristupom predstavljaju performanse. Semplovanje entropije sa nekog spoljnog izvora je obično dosta sporo, jer je neophodno da u ovaj proces budu uključeni I/O uređaji. Dakle, za potpuno dobijanje entropijskog uzorka sa spoljnog izvora, neophodna je brza veza sa okolinom, da bi performanse bile adekvatne.

Da bi izbegao probleme sa performansama Intel je pristupio kaskadnoj konstrukciji generatora slučajnih brojeva. To znači da DRNG generator brojeva koristi entropijski izvor sa nedeterministički određenim random brojevima na osnovu nekih spoljnih događaja, zatim poseduje entropijski bafer, koji sadrži nedeterministički određene uzorke, odakle dalje dobijamo kriptografski sigurne random brojeve CSPRNG.

CSPRNG – (Cryptographic Secured Pseudo Random Number Generator) predstavlja kriptografski obezbeđene pseudo random brojeve koji su zaista slučajni i poseduju dobro definisan nivo otpornosti na „napad“. Kaskadna konstrukcija random generatora omogućuje izuzetno visok kvalitet entropije, ali i brzo dobijanje random broja.

DRNG je dizajniran da ispoštuje aktuelne standarde kao što su ANSI X9.82, NIST SP 800-90 i NIST FIPS 140-2/3 Level 3 sertifikovan izvor entropije.

Uz ovo dolazi i nova instrukcija: RDRAND koja je dostupna u svim modovima rada i koja vraća 16, 32 ili 64-bitni slučajan broj u ciljni „destination“ registar.

RDRAND je enumerisana preko CPUID.1.ECX[30] opkoda i koristi isključivo DRNG hardver. Dakle, ukoliko koristite stariji softver za enkripciju koji ne podržava RDRAND instrukciju, DRNG neće funkcionisati, već će se random brojevi generisati isključivo softverskim putem, kao i do sada.

Na kraju krajeva, DRNG i ne koristi klasične pseudo-random algoritme da bi generisao slučajne brojeve, već koristi prave fizičke procese između faza generisanja, kao na primer vremenske razmake između pritisaka na tastaturi i pomeraja miša, koje su u stvari pravi slučajni događaji.

Novina koja dolazi uz Ivy Bridge je i Supervisory Mode Execute Protection (SEMP), koja praktično služi da spreči da maliciozna aplikacija ili virus ometa rad servisa operativnog sistema koji imaju više privilegije. Da bi se ovo rešilo, korisničke aplikacije poseduju specijalni fleg, koji služi da ih spreči da rade u supervisor režimu.