Вступление
Сегодня мир без компьютера — это немыслимое явление. А ведь мало кто задумывается об устройстве этих "существ". И уж точно никто не
знает, насколько умными стали данные аппараты за последние 50 лет. Для многих людей Искусственный интеллект и компьютер, который стоит на
вашем столе, — это одно и тоже. Но как люди просвещенные, мы знаем, что до разума человека, или даже собаки любой, даже самой умной, машине
еще далеко.
А ведь отличие все-таки есть: в мозге живых существ идет параллельная обработка видео, звука, вкуса, ощущений, и т. д., не говоря уже о такой
элементарной вещи, как мыслительный процесс, который сопровождает многих от рождения и до самой смерти.
Сегодня любой прорыв в информационных технологиях встречается как нечто особо выдающееся. Люди хотят создать себе младшего брата,
который, если еще не думает, то хотя бы соображает быстрее их. Понятно, что никакими гигагерцами не измеришь уникум человеческого мозга, но
никто и не измеряет, и мы проведем краткую экскурсию в недалекое прошлое и, конечно, в непонятное настоящее развития главной части
компьютера, его мозга, его сердца — его центрального процессора.
Экскурс в историю микропроцессоров
Самые первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) появились в 60-е годы ХХ столетия. Сначала эти машины были громоздки, и они
были доступны только исследовательским центрам с огромным бюджетом. Компьютеры же, участвуя в современном сверхбыстром научно-
техническом прогрессе, становятся все меньше и меньше. В настоящее время это машины, имеющие размеры дипломата и выполняющие любые
мыслимые и не мыслимые операции.
Но обратимся к историческим справкам. С 1978 года был запущен в серийное производство один из первых процессоров из серии i86. Именно
развитие этой серии и привело к появлению доступных и небольших по размером персональных компьютеров, так популярных в наше время.
Мы остановимся на IBM-совместимых компьютерах. Названы они так по имени фирмы производителя.
Мы остановимся на этих компьютерах лишь потому, что, к примеру, компьютеры Apple Computers можно назвать скорее специализированными,
чем широко распространенными.
В1978 году фирма Intel совместно с фирмой IBM разрабатывает и выпускает в серию первые из процессоров семейства i86. Если
присмотреться, то можно увидеть, что с фирмой Intel к ряду процессоров присоединяются и другие фирмы, которые производят свои устройства по
зарекомендовавшей себя технологии.
Важно то, что почти с самого начала эти фирмы выливаются в конкурирующие между собой предприятия, что и приводит к резким темпам
развития, снижениям цен и соответственно можно считать этот факт положительным для потребителя.
AMD — это отпочковавшийся от Intel младший брат, но пути эти фирм расходятся по всем параметрам. Сейчас наблюдается явное
противостояние двух сильных конкурентов, у которых есть свои технологии, а так же сильные и слабые стороны. AMD по праву занимает свою долю
на рынке процессоров, даже несмотря на то, что ее подход к развитию технологий скорее эволюционный, чем революционный. Поэтому не надо
считать, что AMD просто клонирует Intel Pentium — это не так.
Сегодня многие эксперты говорят о том, что фирма Ciryx сдала позиции почти все свои позиции, хотя по-прежнему выпускает современные и
недорогие процессоры, но уже и не стремится занять, хотя бы номинально, лидерство. Данную фирму всегда отличало то, что она самостоятельно
разрабатывала процессоры, но не все модели были столь удачны, как у конкурентов.
Нельзя утверждать, что компания Intel с Pentium по Pentium 4 совершила что-то сверхреволюционное в области своих разработок. Однако
считается, что эта фирма идет на шаг впереди своего младшего брата.
Это заблуждение было развеяно в 2000 – 2001 годах, когда из-за неправильной политики в маркетинге Intel не смогла продвинуть свой новый
процессор Pentium 4 из-за большой стоимости не столько самого чипа, сколько периферии, в частности памяти RDIMM.
Компания AMD пользуется этой ситуацией и выходит в свет с процессором Athlon, а чуть погодя — Athlon XP, который по характеристикам даже
превосходил Pentium 4, а по цене был гораздо ниже.
В прессе про процессоры AMD заговорили не просто как про дешевую альтернативу, но и как про более выгодное вложение средств, по
крайней мере, для домашних пользователей.
Но Intel не сдается и, несмотря на провал в маркетинге, мы понимаем, что ее процессор был куда более технологически совершенен. Что мы и
видим в ситуации на рынке, AMD опять входит в роль, к которой все привыкли в роль дешевой альтернативы более дорогим, но и более быстрым и
современным Pentium.
Для пользователей персональных компьютеров мы скажем, что приобретение машины с процессором Pentium — это рискованное вложение
средств. Мода на компьютерном рынке меняются так стремительно, что за ней почти невозможно уследить: 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200
МГц... Закончится ли когда-нибудь эта бешеная гонка? Решением может стать MMX (Multimedia eXtension — "мультимедиа- расширение") —
технология, которая может превратить "простой" Pentium ПК в мощную мультимедийную систему.
Как известно, на кристалле процессора Pentium интегрирован математический сопроцессор. Этот функциональный блок, который отвечает за
"перемалывание чисел", но... а практике, подобные возможности требуются все же достаточно редко, их используют в основном системы САПР и
некоторые программы, решающие чисто вычислительные задачи. У большинства пользователей этот блок просто простаивает.
Создавая технологию MMX, фирма Intel стремилась решить две задачи: во-первых, задействовать неиспользуемые возможности, а во-вторых,
увеличить производительность ЦП при выполнении типичных мультимедиа-программ. С этой целью в систему команд процессора были добавлены
дополнительные инструкции (всего их 57) и дополнительные типы данных, а регистры блока вычислений с плавающей запятой выполняют функции
рабочих регистров.
Дополнительные машинные команды предназначены для таких операций, как быстрое преобразование Фурье (функция, используемая в
видеокодеках), которые зачастую выполняются специальными аппаратными средствами.
"Процессоры, использующие технологию MMX, совместимы с большинством прикладных программ, ведь для "старого" ПО регистры
MMX выглядят точно так же, как обычные регистры математического сопроцессора. Однако встречаются и исключения. Например,
прикладная программа может одновременно обращаться только к одному блоку — либо вычислений с плавающей запятой, либо MMX. В
ином случае результат, как правило, не определен, и нередко происходит аварийное завершение прикладной программы.
Технология MMX — это генеральное направление развития архитектуры процессоров Intel на 1997 г. В первую очередь ее
преимущества смогут оценить конечные пользователи — мультимедиа-компьютеры станут заметно мощнее и дешевле. Официальное
объявление новой технологии запланировано на начало октября 1996 года, однако процессор, в котором реализована технология MMX, уже
существует. Он известен под кодовым названием P55C, и Intel, видимо, сознательно оттягивает момент его выпуска, давая
изготовителям ПК возможность ознакомиться с достоинствами этого ЦП.
Среди компаний, которые предполагают выпустить мультимедиа-ПК с процессором P55C, есть как признанные лидеры
компьютерного рынка — Compaq, Dell, Acer, так и молодые, но динамичные фирмы, например, Compulink Research (CLR).
Ожидается, что большинство популярных прикладных программ будут использовать технологию MMX, причем к концу 1997 г. их
количество более чем удвоится, и пользователи вновь столкнутся с проблемой выбора. Сегодня имеются три высокопроизводительных
процессора — Pentium с тактовой частотой 200 МГц, Pentium Pro с той же тактовой частотой и 200-МГцовый вариант P55C.
Результаты испытаний на производительность, которые предоставила фирма CLR, позволяют сделать вывод, что ПК с процессором
P55C занимают промежуточное положение в этом ряду. При выполнении типичных задач результаты этого ЦП почти не отличаются от
показателей "обычных" моделей Pentium с такой же тактовой частотой. Однако при исполнении фрагментов кода, который был
оптимизирован для P55C (на видео-, аудио- и графических тестах), он не уступает процессору Pentium Pro, в зависимости от типа задачи
выигрыш в быстродействии достигает от 70% до 400%. Как ожидается, мультимедиа-ПК с процессором P55C будет дешевле
аналогичного по функциональным возможностям компьютера.
В статье использованы материалы, предоставленные фирмой CLR".
Смешно читать эту статью, зная, что за ММХ проследовал "расширенный ММХ", а потом SSE и, наконец, сейчас — SSE2. В дальнейшем
обзоре мы увидим, что это еще не все.
Кроме технологических решений по увеличению количества инструкций велась работа и по улучшению процесса производства. Ведь
транзисторов для обработки информации становилось все больше и больше, и они, в конце концов, просто не помещались на кристалл, что
приводило к более совершенным решениям. В настоящее время процессоры Intel выпускаются по техпроцессу с нормой в 0,13 мкм, и на одном
квадратном миллиметре кристалла располагается миллионы транзисторов. Intel планирует перейти на 0,09 мкм уже в 2003 году.
Что такое техпроцесс 0,13 мкм
Попробую объяснить, не вдаваясь в технологию. Обычно приведенная цифра означает длину канала КМОП-транзистора. Скорость
переключения каскада на КМОП зависит от крутизны ВАХ транзисторов и емкости нагрузки. Крутизна определяется током через транзистор и
отношением (ширина канала — W) / (длинна канала — L). Основная емкость в КМОП технологии — емкость затворов транзисторов —
пропорциональна площади затвора = ~W * L. Очевидно, что чем меньше длина канала, тем меньше площадь затвора (причем зависимость
квадратичная), при том же отношении W/L. Следовательно, можно уменьшить ток, и не потерять быстродействие. А можно уменьшить W/L за счет
уменьшения ширины канала и уменьшить размер транзисторов — увеличить количество элементов на кристалле (хотя в современных технологиях
ширина канала, как правило, оптимальна с точки зрения минимизации размера топологического элемента).
Новый процессор от Intel
В конце мая корпорация Intel сообщила о том, что в течение ближайшего месяца производители компьютеров намерены представить первые
серверы и рабочие станции на базе процессоров Itanium. Ожидается, что в этом году около 25 компаний выпустят более 35 таких моделей, а сотни
поставщиков оборудования и программного обеспечения предложат продукты, работающие с данными системами. IDC прогнозирует, что в этом году
будет продано 26 тыс. систем на базе Itanium, а к 2004 году их число возрастет до 540 тыс. Иными словами, сообщение Intel означало, что начался
промышленный выпуск нового процессора корпорации.
Системы на основе процессоров Itanium будут поддерживаться четырьмя ОС, включая платформу Microsoft Windows (64-разрядную версию
для рабочих станций — 64-bit Edition и 64-разрядную версию для серверов — 64-bit Windows Advanced Server Limited Edition 2002); HP-UX 11i v1.5
компании Hewlett-Packard, AIX-5L корпорации IBM и Linux. 64-разрядные версии последней планируют поставлять компании Caldera International, Red
Hat, SuSE Linux и Turbolinux. Уже анонсировано более 500 приложений, которые предполагается портировать для архитектуры Itanium.
Буквально в день объявления Itanium о выпуске систем на его основе заявили несколько крупных компаний, в числе которых Bull, Compaq, Dell,
Fujitsu-Siemens, Hewlett-Packard, IBM, NEC, SGI и Unisys. В частности, IBM анонсировала рабочую станцию IntelliStation Z Pro и сервер X380, Dell —
четырехпроцессорный сервер PowerEdge 7150 и рабочую станцию Precision Workstation 730, Bull — 4- и 16-процессорные модели серверов Escala
IL. Особо хотелось бы отметить системы, представленные Hewlett-Packard: двухпроцессорную рабочую станцию HP Workstation i2000 и 4- и 16-
процессорные серверы HP Server rx4610 и HP Server rx9610. В настоящее время HP-UX — единственная 64-разрядная система UNIX,
обеспечивающая переносимость на уровне двоичного кода программных приложений заказчиков при переходе с RISC (Reduced Instruction Set
Computing) на архитектуру Itanium. HP-UX оптимизирована с тем, чтобы обеспечить высокий уровень производительности, масштабируемости и
надежности. Кроме того, сейчас Hewlett-Packard — единственный производитель компьютеров на платформе RISC, чью технику можно перевести на
платформу Itanium без повторной компиляции приложений и ПО. А дело здесь в следующем.
Путь процессоров Itanium к потребителю в Intel обычно делят на шесть этапов: завоевание поддержки отрасли, выпуск прототипов для
партнеров, выпуск прототипов для разработчиков, выпуск пилотных систем, платформы и, наконец, массовое внедрение решений. Известно, что для
тестирования и разработки производителям компьютеров и пользователям было поставлено более 6500 систем. Первый этап этого пути датируется
ноябрем 1997 года. Однако хотелось бы напомнить, что история Itanium началась значительно раньше
Merced, он же Itanium
Еще в июне 1994г. компании Intel и Hewlett-Packard подписали соглашение о совместной разработке новой 64-разрядной архитектуры,
ориентированной на применение в серверах и рабочих станциях. Преимущества микропроцессоров с большей разрядностью очевидны. Они
позволяют адресовать больший объем памяти, дают возможность оперировать с большим диапазоном чисел, повышают эффективность
параллельных и матричных вычислений и т. д. Заметим, что еще в 1983 г. в Hewlett-Packard было принято решение начать проект объединения
различных процессоров и ОС, используемых в трех компьютерных линейках (HP1000, HP3000 и HP9000). Результаты этого решения сегодня хорошо
известны: это семейство процессоров PA-RISC (Precision Architecture Reduced Instruction Set Computing) и ОС UP-UX, которые совместно
применяются в высокопроизводительных рабочих станциях и Unix-серверах (N-, V-, L- и A-класса). Первый компьютер на базе PA-RISC был
представлен еще в 1985 г. Исследования и разработки ведутся в лаборатории микропроцессоров, которая входит в подразделение System VLSI
Technology Operation. В 1989 г. в поисках нового, наследующего PA-RISC решения Нewlett-Packard приступила к разработке архитектуры EPIC
(Explicitly Parallel Instruction Computing), впоследствии переименованной в WideWorld Architecture, а затем в SuperParallel Processor Architecture (SP-
PA). Но в 1993 г., когда эта 64-разрядная архитектура была практически готова, руководители проекта поняли, что компании одной не вынести
огромных расходов на разработку и изготовление нового процессора. Тогда в Нewlett-Рackard впервые рассмотрели возможность привлечь к
созданию высокопроизводительного процессора другую компанию.
К 1994 г. корпорация Intel, имеющая огромный опыт в области микропроцессоров, испытывала определенные трудности. Продолжавшаяся два
года разработка 64-разрядной архитектуры Р7 натолкнулась на серьезные трудности. Впоследствии Intel отказалась от Р7 в пользу EPIC, хотя
справедливости ради стоит отметить, что некоторые особенности Р7 реализованы в Itanium.
К предложению HP работать сообща в Intel отнеслись с большим энтузиазмом. Ведь открывалась реальная возможность заполучить
масштабируемую ОС корпоративного уровня HP-UX, которую можно будет реализовать на новой платформе. В совместном контракте Нewlett-
Рackard пришлось пойти на крупные уступки. Корпорация согласилась на то, что Intel будет принимать все конструктивные решения по новому
процессору, даже те, которые затрагивают архитектуру EPIC, разработанную инженерами Нewlett-Рackard. Кстати, новый процессор получил
название Merced в честь реки в Калифорнии.
Два года спустя, когда выяснилось, что мощности Merced недостаточно, чтобы при использовании HP-UX обойти архитектуру PA-RISC, в
Нewlett-Рackard решили самостоятельно создавать новый процессор на том же фундаменте, что и Merced, но с иной реализацией внутренних
функциональных блоков. Когда об этом проекте узнали в Intel, начались переговоры о распространении партнерства, которое первоначально
ограничивалось созданием только процессора Merced, на 64-разрядную архитектуру в целом, с тем чтобы включить в соглашение и новый кристалл.
Так Merced, в свое время рассматриваемый в качестве потенциального могильщика RISC-архитектуры, превратился в промежуточную ступеньку.
Поскольку подписанное соглашение не имело жесткого срока, обе компании без труда расширили свое сотрудничество уже над новым 64-разрядным
процессором McKinley (так называется высочайшая гора в Северной Америке). Кстати, первоначально предполагалось, что системы Merced
появятся в 1997 или 1998 г. Но скоро только сказка сказывается.
Важность успеха Intel и НР в деле создания мощной 64-разрядной платформы для компьютерной индустрии невозможно переоценить. Свои
ставки здесь есть у каждого. Почти все фирмы-производители компьютеров создают новые системы, а все разработчики ОС UNIX планируют
перенести свои версии на новую платформу. Аналитики уверены, что Itanium заставит компании, выпускающие серверы и рабочие станции RISC/Unix,
пересмотреть свой модельный ряд. Однако на очень широкий выбор компьютеров Itanium рассчитывать не приходится. Процессор разрабатывался
слишком долго, к тому же с середины 1999 г. разработка то и дело наталкивалась на препятствия. В результате, большинство компаний
сосредоточилось на создании компьютеров на базе McKinley.
Неудивительно, что выпуск Merced неоднократно задерживался, если учесть, что два гиганта индустрии преследовали общую цель, но
использовали совершенно разные тактические подходы. Некоторые эксперты тогда утверждали, что компании оказались партнерами поневоле: их
свели внешние силы рынка, разрабатываемые изделия и финансовые трудности, которые они решили преодолевать вместе.
Intel рассматривает Itanium в качестве родоначальника нового семейства процессоров, которое будет развиваться в ближайшие 25 лет. За
первой моделью с кодовым названием Merced последуют McKinley, Madison, Deerfield и другие новые версии. По официальным данным, шесть
моделей подобных кристаллов уже находятся на стадии разработки. Опытные партии процессора McKinley планируется выпустить в конце текущего
года, а первые системы на его основе должны появиться в 2002 г. Ожидается, что этот процессор дебютирует с тактовой частотой в 1 ГГц или
выше. По имеющейся информации, все 64-разрядные процессоры Intel будут содержать в своем названии слово Itanium, а McKinley, Madison и
прочие имена так и останутся кодовыми названиями. Таким образом, скорее всего, официально анонсированы будут Itanium II, Itanium III и т. д.
Только через три года после подписания соглашения, в ноябре 1997 г. Intel и Hewlett-Packard представили архитектуру будущего процессора и
планы разработки целого семейства IA-64 (Intel Architecture). Не полагаясь только на собственные ресурсы, в мае 1999 г. Intel объявила о создании
инвестиционного фонда, получившего название Intel 64 Fund с капиталом 250 млн. долл. Эти средства должны были быть направлены на
инвестиционную поддержку компаний, занимающихся разработкой Интернет-приложений и ПО уровня предприятий. В создании фонда, помимо Intel и
Hewlett-Packard, приняли участие 16 компаний и организаций. Среди них не только компьютерные фирмы — Compaq, Dell, SGI, но и Reuters, Ford
Motor Company, General Electric, Bank of America. На сегодняшний день более 150 млн. долл. инвестировано более чем в 40 компаний, работающих в
сфере инфраструктуры Интернет, электронной торговли, производства и финансов на вертикальных рынках.
Тогда же, в 1997 г., Intel и Hewlett-Packard представили архитектуру и набор команд IA-64. В августе 1999 г. впервые появились опытные
образцы процессора, а осенью Intel представила Itanium как коммерческое наименование своего первого 64-разрядного процессора, дотоле
носившего рабочее название Merced. Введены были термины "семейство процессоров Itanium" (IPF, Itanium Processor Family) и "архитектура Itanium"
(Itanium Architecture). Через год, в октябре 2000 г. появились пилотные образцы систем на основе Itanium. Примерно в то же время прошло второе
промышленное тестирование программ и оборудования на платформе Itanium. Приоритетной задачей этого мероприятия было жесткое
тестирование платформы перед пилотным выпуском, причем в программу тестирования входила проверка работы в сети и обеспечение
телекоммуникаций. На территории Caesar's Palace площадью 34 тыс. кв. футов, где проходило тестирование, было проложено более 3 миль кабеля,
более ста 20-амперных силовых линий, установлены хранилища данных суммарной емкостью более 2 Тбайт. Активно проводились и другие
мероприятия, включая широкое распространение ключевой технической информации и средств разработки, а также поставку более 6000 прототипов
серверов, как в одно-, так и в многопроцессорной конфигурации. Кроме того, Intel открыла в разных странах мира более 30 центров разработки
приложений, где инженеры Intel и разработчики программного и аппаратного обеспечения совместно работали над оптимизацией прикладных
программ под системы на основе Itanium.
Особенности архитектуры
По мнению представителей Intel, архитектура процессора Itanium — это самая значительная разработка со времени презентации 386-го
процессора в 1985 г. Первые образцы 64-разрядного процессора Intel представляют собой картридж размером примерно 10 х 6 см, который
включает в себя кэш-память третьего уровня емкостью 2 либо 4 Мбайт и радиатор. Картридж монтируется в разъем типа Slot и имеет 418 выводов.
Процессор имеет трехуровневую иерархию сверхоперативной памяти. Если кэш-память первого и второго уровней интегрирована на кристалле
процессора, то микросхемы кэш-памяти третьего уровня расположены на самой плате картриджа. На реализацию процессора с соблюдением
проектных норм 0,18 мкм потребовалось около 320 млн. транзисторов, из которых только 25 млн. пришлось на реализацию самого ядра, а
остальные — на кэш-память. Самый большой модуль процессора — это блок вычислений с плавающей запятой, он занимает около 10% площади
кристалла. Производительность Itanium составляет до 6,4 млрд. операций с плавающей запятой в секунду. Благодаря архитектуре EPIC и 15
исполнительным устройствам процессор может выполнять до 20 операций одновременно. При этом он может непосредственно адресовать до 16
Тбайт памяти при пропускной способности до 2,1 Гбайт/с. В процессоре реализована поддержка всех расширений Intel (технологий MMX, SIMD и
симметричной мультипроцессорной обработки), за исключением SSE2.
Одна из самых интересных деталей в плане размещения узлов процессора — это система синхронизации работы узлов. Одновременная
передача тактовых импульсов при большой площади процессора представляет сложную задачу для разработчиков, поскольку задержки в
распространении импульсов тактового генератора могут вызывать рассинхронизацию узлов. Для этой цели по всей площади кристалла разместили
большое число точек распространения тактовых импульсов.
Архитектура Itanium включает такие уникальные средства повышения надежности, как система расширенного самоконтроля EMCA (Enhanced
Machine Check Architecture), обеспечивающая обнаружение, коррекцию и протоколирование ошибок, а также поддержку обработки кода ECC (Error
Correcting Code) и контроля четности.
Для двух- и четырехпроцессорных систем Intel выпустила специальный набор микросхем Intel 460GX, которые могут включаться каскадно,
увеличивая число одновременно используемых процессоров. Поскольку конфигурация таких систем изначально предусматривает объемы
оперативной памяти в несколько гигабайт, то в системах Itanium применяются сравнительно недорогие микросхемы памяти типа SDRAM. При этом
для увеличения производительности, по словам представителей Intel, используются такие методы, как буферирование, чередование и деление
памяти на несколько банков. Набор микросхем реально поддерживает работу с 64 Гбайт памяти при максимальной пропускной способности 4,2
Гбайт/с, хотя 64-разрядная адресация памяти теоретически позволяет обращаться к гораздо большему количеству адресов.
Процессоры Itanium будут работать на тактовой частоте 800 или 733 МГц, а их стоимость в зависимости от объема кэш-памяти составит от
1177 до 4227 долл.
Современные тенденции развития микропроцессоров связаны с выполнением большего числа команд за один такт. Разработчики IA-64
полагают, что добиваться более высокого уровня суперскалярности (распараллеливания) в процессоре можно, только если отказаться от обычных
последовательных кодов и ввести параллелизм прямо на уровень системы команд. В этом случае задача распараллеливания ложится не на
аппаратуру процессора, а на компилятор. Как уже отмечалось, в основе IA-64 лежит технология EPIC, главная идея которой — введение явного
параллелизма. Преимущества такого подхода понятны. В схемотехнических решениях процессоров исчезает сложная логика, отвечающая за
внеочередное суперскалярное выполнение команд, и можно отвести больше места на кристалле под кэш-память, файл регистров и исполнительные
устройства. Однако, с другой стороны, возникает необходимость разрабатывать сложные и эффективно распараллеливающие компиляторы.
Несомненно, что между технологиями EPIC и VLIW (Very Long Instruction Word) много общего. VLIW обычно рассматривают как статическую
суперскалярную архитектуру. Имеется в виду, что распараллеливание кода происходит на этапе компиляции, а не динамически во время исполнения.
Иными словами, в машинном коде VLIW присутствует явный параллелизм. В свою очередь, к основным особенностям EPIC относят:
· большое количество регистров,
· масштабируемость архитектуры до большого количества исполнительных функциональных устройств,
· параллелизм в машинном коде,
· предсказание ветвлений (предикацию),
· спекулятивное выполнение (загрузку по предположению).
Основная особенность EPIC та же, что и у VLIW, — распараллеливанием потока команд занимается компилятор, а не процессор. Достоинства
данного подхода заключаются в том, что упрощается архитектура процессора, причем он не тратит время на анализ потока команд. Кроме того, в
отличие от процессора, компилятор способен проводить анализ по всей программе, а не по сравнительно небольшому ее участку. Поскольку
практически любая программа должна запускаться многократно, выгоднее распараллелить ее один раз (при компиляции), а не каждый раз, когда она
исполняется на процессоре.
В архитектуре Itanium насчитывается по 128 64-разрядных целочисленных регистров общего назначения и 80-разрядных регистров
вещественной арифметики, а также 64 одноpазpядных пpедикатных pегистpа. Все они доступны для программирования; кроме того, имеется
множество недоступных внутренних служебных регистров, используемых самим процессором. 64 одноразрядных регистра используются для
организации логики предсказания ветвления и выполнения команд в порядке, отличном от последовательного.
Для достижения явного параллелизма в формат команд IA-64 введены дополнительные разряды маски, которые явно указывают на
зависимости между командами. До сих пор задача определения таких зависимостей полностью ложилась на аппаратуру процессора. Здесь же
вводится понятие групп команд. Все они независимы, и их следует выдавать на выполнение в разные исполнительные устройства. Разряды маски
указывают на зависимости не только внутри нескольких команд, но и между группами команд. По три команды IA-64 объединяются в так называемую
связку, имеющую емкость 128 разрядов. Связка содержит три команды и шаблон, в котором указано, какие есть зависимости между командами
(например, можно ли с первой командой запустить параллельно вторую или же она должна выполниться только после первой и т. п.).
Заключение
В заключение отметим, что в современных процессорах активно используются методики предсказания ветвлений и спекулятивного выполнения.
Сегодня очень много времени уходит на вычисление ветвей программы, которые впоследствии не используются — и это проблема, которую
решает Itanium.
При наличии в программе условного ветвления команды из разных ветвей помечаются разными предикатными регистрами (команды имеют для
этого предикатные поля); далее они выполняются совместно, но их результаты не записываются, пока значения предикатных регистров не
определены. При вычислении условия ветвления предикатный регистр, соответствующий правильной ветви, устанавливается в 1, а другой — в 0, и
перед записью результатов процессор проверяет предикатное поле, записывает результаты только тех команд, предикатное поле которых содержит
предикатный разряд, установленный в единицу.
Архитектура Itanium предсказывает и исполняет по предположению. Этот механизм является еще одной особенностью данной технологии и
должен снизить простои процессора, связанные с ожиданием выполнения команд загрузки из относительно медленной основной памяти. Компилятор
перемещает команды загрузки данных из памяти так, чтобы они выполнились как можно раньше. Следовательно, когда данные из памяти
понадобятся какой-либо команде, процессор не будет простаивать.
Командами загрузки в данном случае называются перемещенные таким образом инструкции по предположению; они помечаются особым
образом. Перед командой, использующей загружаемые по предположению данные, компилятор вставит команду проверки предположения. При
возникновении исключительной ситуации во время загрузки, процессор сгенерирует исключение только тогда, когда встретит команду проверки
предположения.
Например, команда загрузки выносится из ветвления, а ветвь, из которой она вынесена, не запускается. В этом случае возникшая
исключительная ситуация игнорируется.
Важно отметить тот факт, что с выходом Itanium сравнение процессоров по частоте практически теряет смысл. Придется применять новые
методики, учитывающие не только количество реально выполненных за один такт инструкций, но и качество анализа компилятором исполняемой
программы, поскольку результирующая производительность будет сильно зависеть от этого (процессор ведь может работать с огромной скоростью,
вычисляя ненужные ветви программы).
Процессор Itanium полностью совместим с современными 32-разрядными приложениями, но вряд ли эти программы будут работать на 64-
разрядном кристалле быстрее.
Как полагают некоторые специалисты, возможно, придется привыкать и к более медленным темпам работы. В альтернативе то, что новые,
специализированные приложения оставят всех позади. Например, уже на этапе опытного производства кристаллов архитектура процессора Itanium
продемонстрировала высокое быстродействие алгоритмов защиты информации, интенсивно использующих вычислительные мощности.
Корпорация AMD тоже обнародовала свои планы создания 64-разрядных кристаллов. Она добавила 32 разряда к уже имеющимся 32, и
регистры расширились до 64 разрядов, появились команды манипуляции с 64-разрядными данными, да и шина адреса увеличилась до 64 разрядов.
В итоге родилась архитектура x86-64. Первоначально подобный процессор был назван Sledgehammer. Команды нового кристалла отличаются от
команд процессоров x86 только наличием префикса, указывающего на их разрядность.
Здесь имеются восемь 64-разрядных регистров для операций вещественной арифметики. И это в прибавке к шестнадцати регистрам общего
назначения.
Восемь первых регистров Sledgehammer обозначаются названиями, отражающими их x86-происхождение: RAX, RBX, RCX, RDX, RSP, RBP,
RSI, RDI.
Восемь младших разрядов RAX фактически эквивалентны регистру A аккумулятору процессора i8080 и регистру AL i8086. Разряды 8 – 15
эквивалентны регистру AH i8086. Если объединить эти два поля, то получится регистр AX i8086. Битовое поле 0 – 31 — полный эквивалент
регистра EAX в 32-разрядных 80 x 86.
А вот архитектуру нового процессора дополняют шестнадцать 128-разрядных регистров для хранения операндов SIMD-инструкций.
Итак, корпорацией AMD была обеспечена полная аппаратная поддержка выполнения инструкций x86-32 на уровне ядра. В отличие от
процессора Itanium, здесь должна обеспечиваться полноценная реализация 8-, 16- и 32-разрядных приложений без потери производительности, т. е.
на одном процессоре смогут одновременно и независимо работать 16- и 32-разрядные приложения. Данное обстоятельство должно сделать
переход пользователей на новую платформу безболезненным, ведь процессоры смогут работать в двух режимах:.
· в технологии Long кристалл будет работать как x86-64;
· в технологии Legacy Mode кристалл будет работать как x86-процессор, совместимый с 16- и 32-разрядными приложениями и поддерживающий
расширение SSE.
В ближайшем будущем планируется выпустить две модели 64-разрядного микропроцессора: собственно Sledgehammer и младшую модель —
Clawhammer. Главные отличия состоят главным образом в размере кэш-памяти второго уровня:
· Clawhammer позиционируется как процессор для рабочих станций и будет поддерживать двухпроцессорные системы. Причем размер
кристалла не должен превысить 100 кв. мм, что сделает его в достаточной мере дешевым;
· Sledgehammer же, как планируется, будет поддерживать до восьми процессоров.
Оба процессора будут содержать интегрированный контроллер памяти, совместимый с технологией HyperTransport. Данный факт позволит
напрямую работать с системной памятью, минуя системную шину и набор микросхем.
Для возможности обращения к одному и тому же сегменту памяти в мультипроцессорных системах будет использоваться архитектура NUMA
(Non-Uniform Memory Access).
Каждому процессору будет отведен отдельный сегмент памяти, но при необходимости будет доступен и сегмент памяти другого процессора.
AMD разрабатывает два набора микросхем с поддержкой HyperTransport. Первый чипсет Golem предназначен для серверов и оснащен мостом
HyperTransport-PCI-X, а второй — Lokar для рабочих станций, имеет встроенную поддержку интерфейса AGP 8X и мост HyperTransport-AGP.
В заключение отметим, что новые процессоры будут изготавливаться с учетом проектных норм 0,13 мкм и технологии SOI (Silicon On Insulator —
"кремний на изоляторе"). Т. к. массовое производство кристаллов начнется не ранее 2002 г., то говорить о конкуренции между семействами Itanium и
Hammer пока рановато.
Библиографический список
1. http://www.bytemag.ru/.
2. http://www.maxwolf.ru/faq/cpu.html.
3. http://www.intel.com/ .
4. http://www.amd.com .
5. http://www.hp.com .
|