Процессоры нового поколения и перспективы их развития

                            2Содержание

     Вступление                                               2

     Два кристалла в одном корпусе                            3

     Pentium как точка отсчета                                4

     Основная проблема на пути повышения производительности   5

     Решение принятое в P6                                    6

     Архитектура P6                                           7

         1. Устройство выборки/декодирования                  7

         2. Устройство диспетчирования/выполнения             8

         3. Устройство отката                                 9

         4. Интерфейс шины                                   10

         5. Вывод                                            11

     P6 как платформа для построения мощных серверов         12

     Системы на основе P6                                    13

     Следующее поколение процессоров                         14

     Заключение                                              17

     Приложения                                              18

     Литература                                              22

.

                              - 2 -

 ш1.1

                            2Вступление

     Все IBM-совместимые  персональные  компьютеры укомплектованы

Intel-совместимыми процессорами.  История развития микропроцессо-

ров семейства Intel вкратце такова.  Первый универсальный микро-

процессор фирмы Intel появился в 1970 г.  Он назывался Intel 4004,

был  четырехразрядным и имел возможность ввода/вывода и обработки

четырехбитных слов. Быстродействие его составляло 8000 операций в

секунду.  Микропроцессор Intel 4004 был рассчитан на применение в

программируемых калькуляторах с памятью размером в 4 Кбайт.

     Через три года фирма Intel выпустила процессор 8080, который

мог выполнять уже 16-битные арифметические операции, имел 1б-раз-

рядную адресную шину и, следовательно, мог адресовать до 64 Кбайт

памяти (2 516 0=65536).  1978 год ознаменовался выпуском  процессора

8086 с размером слова в 16 бит (два байта),  20-разрядной шиной и

мог оперировать уже с 1  Мбайт  памяти  (2 520 0=1048576,  или  1024

Кбайт),  разделенной на блоки (сегменты) по 64 Кбайт каждый. Про-

цессором 8086 комплектовались компьютеры,  совместимые с IBM PC и

IBM  PC/XT.  Следующим крупным шагом в разработке новых микропро-

цессоров стал появившийся в 1982 году процессор 8028б. Он обладал

24-разрядной адресной шиной, мог распоряжаться 16 мегабайтами ад-

ресного пространства и ставился на компьютеры,  совместимые с IBM

PC/AT.  В  октябре  1985 года был выпущен 80386DX с 32- разрядной

шиной адреса (максимальное адресное пространство - 4 Гбайт),  а в

июне 1988 года - 80386SX,  более дешевый по сравнению с 80386DX и

обладавший 24-разрядной адресной шиной.  Затем в апреле 1989 года

появляется микропроцессор 80486DX,  а в мае 1993 - первый вариант

процессора Pentium (оба с 32-разрядной шиной адреса).

     В мае 1995 года в Москве на международной выставке Комтек-95

фирма Intel представила новый процессор - P6.

     Одной из важнейших целей,  поставленных при  разработке  P6,

было  удвоение производительности по сравнению с процессором Pen-

tium. При этом производство первых версий P6 будет осуществляться

по уже отлаженной "Intel" и используемой при производстве послед-

них версий Pentium полупроводниковой технологии (О,6 мкм, З,З В).

Использование  того же самого процесса производства дает гарантию

того,  что массовое производство P6 будет налажено без  серьезных

проблем.  Вместе с тем это означает,  что удвоение производитель-

ности достигается только за счет всестороннего улучшения микроар-

хитектуры процессора.  При разработке микроархитектуры P6 исполь-

зовалась тщательно продуманная и настроенная комбинация различных

архитектурных методов.  Часть из них была ранее опробована в про-

цессорах "больших" компьютеров,  часть предложена  академическими

институтами, оставшиеся разработаны инженерами фирмы "Intel". Эта

уникальная комбинация архитектурных особенностей,  которую в "In-

tel" определяют словами "динамическое выполнение", позволила пер-

вым кристаллам P6 превзойти первоначально планировавшийся уровень

производительности.

     При сравнении с альтернативными "Intel" процессорами семейс-

тва х86 выясняется,  что микроархитектура Р6 имеет много общего с

микроархитектурой процессоров Nx586 фирмы NexGen и K5 фирмы  AMD,

и,  хотя  и в меньшей степени,  с M1 фирмы "Cyrix".  Эта общность

                              - 3 -

объясняется тем,  что инженеры четырех компаний решали одну и  ту

же  задачу:  внедрение  элементов  RISC-технологии при сохранении

совместимости с CISC-архитектурой Intel х86.

                   2Два кристалла в одном корпусе

     Главное преимущество и уникальная особенность Р6 - размещен-

ная  в  одном корпусе с процессором вторичная статическая кэш-па-

мять размером 256 кб,  соединенная с процессором специально выде-

ленной шиной. Такая конструкция должна существенно упростить про-

ектирование систем на базе Р6.  Р6 - первый  предназначенный  для

массового производства микропроцессор,  содержащий два чипа в од-

ном корпусе.

     Кристалл ЦПУ в Р6 содержит 5,5 миллионов транзисторов; крис-

талл кэш-памяти второго уровня - 15,5 миллионов.  Для  сравнения,

последняя  модель  Pentium включала около 3,3 миллиона транзисто-

ров,  а кэш-память второго уровня реализовывалась с помощью внеш-

него набора кристаллов памяти.

     Столь большое число транзисторов в кэше объясняется его ста-

тической природой. Статическая память в P6 использует шесть тран-

зисторов для запоминания одного бита, в то время как динамической

памяти было бы достаточно одного транзистора на бит.  Статическая

память быстрее, но дороже.

     Хотя число транзисторов на кристалле с вторичным кэшем втрое

больше,  чем на кристалле  процессора,  физические  размеры  кэша

меньше:  202  квадратных миллиметра против 306 у процессора.  Оба

кристалла вместе заключены в керамический корпус с 387 контактами

("dual cavity pin-drid array"). Оба кристалла производятся с при-

менением одной и той же  технологии  (0,6  мкм,  4-  слойная  ме-

талл-БиКМОП,  2,9  В).  Предполагаемое  максимальное  потребление

энергии: 20 Вт при частоте 133 МГц.

     Первая причина  объединения  процессора  и вторичного кэша в

одном корпусе - облегчение проектирования и производства высокоп-

роизводительных  систем  на базе Р6.  Производительность вычисли-

тельной системы,  построенной на быстром процессоре, очень сильно

зависит  от  точной  настройки микросхем окружения процессора,  в

частности вторичного  кэша.  Далеко  не  все  фирмы-производители

компьютеров могут позволить себе соответствующие исследования.  В

Р6 вторичный кэш уже настроен на процессор  оптимальным  образом,

что облегчает проектирование материнской платы.

     Вторая причина объединения -  повышение  производительности.

Кзш второго уровня связан с процессором специально выделенной ши-

ной шириной 64 бита и работает на той же тактовой частоте,  что и

процессор.

     Первые процессоры Рentium с тактовой частотой 60  и  66  МГц

обращались к вторичному кэшу по 64-разрядной шине с той же такто-

вой частотой. Однако с ростом тактовой частоты Pentium для проек-

тировщиков  стало слишком сложно и дорого поддерживать такую час-

тоту на материнской плате.  Поэтому  стали  применяться  делители

частоты.  Например,  у  100  МГц Pentium внешняя шина работает на

частоте 66 МГц (у 90 МГц Pentium - соответственно 60 МГц). Penti-

um использует эту шину как для обращений к вторичному кэшу, так и

                              - 4 -

для обращения к основной памяти и другим устройствам,  например к

набору чипов PCI.

     Использование специально выделенной шины для доступа к  вто-

ричному  кэшу улучшает производительность вычислительной системы.

Во-первых,  при этом достигается полная  синхронизация  скоростей

процессора и шины;  во-вторых,  исключается конкуренция с другими

операциями ввода-вывода и связанные с этим  задержки.  Шина  кэша

второго уровня полностью отделена от внешней шины,  через которую

происходит доступ к  памяти  и  внешним  устройствам.  64-битовая

внешняя шина может работать со скоростью,  равной половине, одной

третьей или одной четвертой от скорости процессора, при этом шина

вторичного кэша работает независимо на полной скорости.

     Объединение процессора и вторичного кэша в одном  корпусе  и

их  связь  через  выделенную шину является шагом по направлению к

методам повышения  производительности,  используемым  в  наиболее

мощных RISC-процессорах. Так, в процессоре Alpha 21164 фирмы "Di-

gital" кэш второго уровня размером 96 кб размещен в ядре  процес-

сора,  как и первичный кэш. Это обеспечивает очень высокую произ-

водительность кэша за счет увеличения числа транзисторов на крис-

талле до 9,3 миллиона.  Производительность Alpha 21164 составляет

330 SPECint92 при тактовой частоте 300 МГц. Производительность Р6

ниже (по оценкам "Intel" - 200 SPECint92 при тактовой частоте 133

МГц),  однако Р6 обеспечивает лучшее соотношение стоимость/произ-

водительность для своего потенциального рынка.

     При оценке соотношения стоимость/производительность  следует

учитывать, что, хотя Р6 может оказаться дороже своих конкурентов,

большая часть других процессоров должна  быть  окружена  дополни-

тельным набором чипов памяти и контроллером кэша. Кроме того, для

достижения сравнимой производительности работы  с  кэшом,  другие

процессоры  должны  будут  использовать кэш большего,  чем 256 кб

размера.

     "Intel", как  правило,  предлагает  многочисленные  вариации

своих процессоров. Это делается с целью удовлетворить разнообраз-

ным  требованиям  проектировщиков систем и оставить меньше прост-

ранства для моделей конкурентов.  Поэтому можно предположить, что

вскоре  после начала выпуска Р6 появятся как модификации с увели-

ченным объемом вторичной кэш-памяти,  так и более дешевые модифи-

кации с внешним расположением вторичного кэша, но при сохраненной

выделенной шине между вторичным кэшом и процессором.

                     2Pentium как точка отсчета

     Процессор Pentium со своей конвейерной и суперскалярной  ар-

хитектурой достиг впечатляющего уровня производительности.

     Pentium содержит два 5-стадийных  конвейера,  которые  могут

работать параллельно и выполнять две целочисленные команды за ма-

шинный такт.  При этом параллельно может выполняться только  пара

1	2	3	4	5