Перспективы развития микропроцессоров

Шина – это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств – получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно.

1.2 Эволюция процессоров

Первым этапом, затронувшим период с 40-х по конец 50-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки.

Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 50-х до середины 60-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление. Третьим этапом, наступившим в середине 60-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы – элементарные регистры, счётчики, сумматоры).

1.3 Основные направления развития микропроцессоров

Современные процессоры AMD и Intel хоть и обеспечивают превосходное быстродействие, а также поддерживают огромное число современных технологий, все еще остаются сильно измененными разработками 10-летней давности. Но обе компании уже объявили о своих намерениях представить ЦП на основе принципиально новых архитектур. У AMD это Bulldozer, у Intel – Nehalem. В этом материале рассматриваются их основные возможности и нововведения, а также дальнейшие перспективы развития рынка микропроцессоров. Компания Intel выпустила процессор Pentium II, в основе которого лежали все идеи, реализованные в Pentium и Pentium Pro, и это было единственное решение для компьютеров из middle-end и high-end сегментов. Для бюджетного сектора предназначались уже морально устаревшие Pentium, а также решения от других компаний, в частности от AMD. Вопроса «Что выбрать: Intel или AMD?» тогда не было. Все знали, что процессоры Intel лучшие и все их рекомендовали к приобретению.

Теперь вопрос выбора стоит немного более остро, хотя число производителей ЦП несколько поубавилось. С одной стороны Intel предлагает более скоростные чипы Core 2 Duo, а с другой каждое их обновление требует смены системной платы, да и их стоимость относительно решений AMD у них повыше. Тем не менее, все самые современные процессоры AMD и Intel имеют в своей основе наработки 8–10-летней давности. Чипы Core выросли из Pentium M, которые в свою очередь базируются на архитектуре P6, легшей в основу Pentium Pro и последующих разработок. AMD очень преуспела, выпустив процессор Athlon, основанный на архитектуре K7. K8 хоть и имеет сильные отличия, однако это всего лишь сильно переработанный K7. Ну а K10 – это эволюционное развитие K8. Однако и Intel и AMD обещают в ближайшие полтора-два года представить принципиально новые процессорные архитектуры. Междоусобная конкуренция заставила пойти обоих производителей ЦП на этот весьма дорогостоящий шаг. Intel стала говорить об этом еще два года назад, а AMD в этом году объявила о намерении представить новый процессор с высокой интеграцией компонентов. В этой статье мы собрали всю имеющуюся информацию о планах этих компаний касательно готовящегося обновления архитектур. Развитие микропроцессорной архитектуры идет по пути постоянного повышения их производительности. Традиционными направлениями являются повышение тактовой частоты работы МП и увеличение количества одновременно выполняемых команд за счет увеличения числа конвейеров (исполнительных устройств) в МП. Однако оба эти направления следует признать экстенсивными, имеющими естественные ограничения. Повышение тактовой частоты, которое в основном обеспечивается путем увеличения количества ступеней в конвейере, приводит к большим потерям времени при необходимости перезагрузки конвейера вследствие конфликтов по управлению или при переключении на новую задачу. Такое увеличение имеет также и физические ограничения, связанные со схемотехникой кристалла БИС. Ограничения определяются также влиянием накладных расходов при передаче частично обработанной команды на следующую ступень конвейера. На больших частотах эти расходы становятся соизмеримыми с длительностью обработки на очередном этапе. Во многом это направление исчерпало себя в микропроцессоре Pentium 4 , работающем на частотах, близких к 4 ГГц.

Повышение производительности за счет увеличения числа конвейеров в микропроцессоре можно оценить увеличением числа команд, выполняемых программами за такт (IPC – INsTRuctions Per Cycle). Так, для МП Alpha 21264 этот показатель равен 6, столько же микроопераций за такт может выдать Pentium 4. Но это предельные значения, а реальные программные коды, в частности, из-за различных взаимозависимостей, дают гораздо более низкое значение IPC.

В настоящее время для повышения производительности микропроцессоров используется ряд новых подходов, основными из которых являются:

1. CMP (Chip Multi ProcessINg) – создание на одном кристалле системы из нескольких микропроцессоров (многоядерность);

2. SMT (Simultaneous MultiThreadINg) – многонитевая архитектура;

3. EPIC (Explicitly Parallel INsTRuction ComputINg) – вычисления с явным параллелизмом в командах.

Направление CMP обеспечивается возросшими технологическими возможностями, которые позволяют создать на одном кристалле несколько микропроцессоров и организовать их работу по принципу мультипроцессорных систем.

Производители чипов уже не гонятся за частотой, сместив акцент на многоядерную архитектуру, которая позволяет наращивать производительность, сохраняя в приемлемых границах энергопотребление и тепловыделение. Многоядерные процессоры хорошо приспособлены для требовательных мультимедийных задач, таких как обработка видеозаписей, работы с большими базами данных, одновременное выполнение нескольких ресурсоемких заданий, например, компьютерной игры, записи DVD и загрузки файлов из Интернета. При таком подходе задача повышения производительности работы отдельных приложений требует  распараллеливания последних, то есть проблема перемещается с аппаратного на программный уровень. На данный момент сложности заключаются в том, что большая часть существующего программного обеспечения создавалась без расчета на использование в многоядерных и многопроцессорных конфигурациях. Другими словами, прогресс в области аппаратных средств на какое-то время опередил прогресс в области программного обеспечения. Направление SMT в развитии архитектуры микропроцессоров базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все возрастающие ресурсы микропроцессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП. Это позволяет более равномерно загрузить ресурсы процессора. Параллельно в разных устройствах МП могут выполняться команды из разных задач. Так, микропроцессор Alpha 21264 поддерживает выполнение до 4 задач одновременно. При поддержке SMT на 4 нити каждый процессор с точки зрения операционной системы выглядит как 4 логических процессора. Исследования показали, что SMT позволяет увеличить производительность данного процессора до двух раз, а дополнительные схемы управления занимают всего около 10% площади кристалла.

Некоторые микропроцессоры для максимального повышения своей производительности используют оба выше названных подхода. Так, компания Sun Microsystems представила новый процессор ULTRaSPARC T2. Направление EPIC фактически использует известную технологию VLIW (Very Large INsTRuction Word) – очень длинного командного слова. Распараллеливание алгоритма между исполнительными модулями производится компилятором на этапе создания машинного кода, когда команды объединяются в связки и не конкурируют между собой за ресурсы микропроцессора. При этом упрощается блок управления на кристалле.

Использование технологии Hyper Threading в современных микропроцессорах. Hyper-threading (HTT) – это торговая марка компании Intel для реализации технологии «одновременной мульти поточности» на микроархитектуре Pentium 4. Расширенная форма супер поточности, впервые появившаяся в процессорах Intel Xeon и позднее добавленная в процессоры Pentium 4. Эта технология увеличивает производительность процессора при определённых рабочих нагрузках путём предоставления «полезной работы» исполнительным устройствам (англ. execution units), которые иначе будут бездействовать; к примеру, в случаях кэш-промаха.

Процессоры Pentium 4 с включённым Hyper-threading операционная система определяет как два разных процессора вместо одного.

Преимущества Hyper-threading представлены как:

1. Улучшенная поддержка многопоточного кода, позволяя запускать потоки одновременно;

2. Улучшена реакция и время отклика; увеличено количество пользователей, которое может поддерживать сервер.

1.4 Поколения процессоров

Существует семь поколений процессоров.

Первое поколение (процессоры 8086 и 8088 и математический сопроцессор 8087) задало архитектурную основу – набор «неравноправных» 16-разрядных регистров, сегментную систему адресации в пределах 1 Мб с большим разнообразием режимов, систему команд, систему прерываний и ряд других атрибутов. В процессорах применялась «малая» конвейеризация: пока одни узлы выполняли текущую команду, блок предварительной выборки выбирал из памяти следующую.

Втрое поколение (80286 и сопроцессор 80287) добавило в семейство так называемый «защищённый режим», позволяющий употреблять виртуальную память размером до 1Гб для каждой задачи, пользуясь адресуемой физической памятью в пределах 16 Мб. Защищённый режим является основой для построения многозадачных операционных систем, в которых система привилегий жестко регламентирует взаимоотношения задач с памятью, операционной системой и друг с другом. Производительность процессоров 80286 возросла не только в связи с ростом тактовой частоты, но и за счет значительного усовершенствования конвейера.

Третье поколение (80386/80387 с «суффиксами» DX и SX, определяющими разрядность внешней шины) ознаменовалось переходом к 32-разрядной архитектуре. Кроме расширения диапазона

представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65535 или от –32768 до +32767, а 32 бита – более четырёх миллиардов) представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65535 или от –32768 до +32767, а 32 бита – более четырёх миллиардов), увеличилась ёмкость адресуемой памяти. На этих процессорах начала широко использоваться система Microsoft Windows.

Четвертое поколение (80486 также DX и SX) не внесло существенных изменений в архитектуру, зато был принят ряд мер для повышения производительности. В этих процессорах значительно усложнен исполнительный конвейер. В данном поколении отказались от внешнего сопроцессора – он стал размещаться на одном кристалле с центральным (либо его нет совсем).

Пятое поколение (процессор Pentium у фирмы Intel и К5 у фирмы AMD) дало суперскалярную архитектуру. Для быстрого снабжения конвейеров командами и данными из памяти шина данных этих процессоров сделана 64-разрядной, из-за чего их первое время иногда ошибочно называли 64-разрядными процессорами. «На закате» этого поколения появилось расширение ММХ (Matrics Math Extensions {instruction set} – набор команд для расширения матричных математических операций (первоначально Multimedia Extension {instruction set} – набор команд для мультимедиа-расширения).

«Традиционные 32-разрядные процессоры способны выполнять сложение двух 8-разрядных чисел, размещая каждое из них в младших разрядах 32-разрядных регистров. При этом 24 старших разряда регистров не употребляются, и потому, например, при одной операции сложения ADD осуществляется просто сложение двух 8-разрядных чисел.3 Команды ММХ оперируют сразу с 64 разрядами, где могут храниться восемь 8-разрядных чисел, причем имеется возможность выполнить их сложение с другими 8-разрядными числами в процессе одной операции ADD. Регистры ММХ могут употребляться также для одновременного сложения четырех 16-разрядных слов или двух 32-разряных длинных слов. Такой принцип получил название SIMD (Single Instruction/Multiple Data - «один поток команд/много потоков данных»).

Новые команды были предназначены в первую очередь для ускорения выполнения мультимедиа программ, но применять их можно не только к задачам, прямо связанным с технологией мультимедиа. В ММХ появился и новый тип арифметики - с насыщением: если результат операции не помещается в разрядной сетке, то переполнения (или «антипереполнения») не происходит, а устанавливается максимально (или минимально) возможное значение числа.

Шестое поколение процессоров началось с Pentium Pro и продолжилось в процессорах Pentium III, Celeron и Xeon (у фирмы AMD сюда относятся процессоры К6, К6-2, К6-2+, К6-III). Ключевым здесь является динамическое исполнение, под которым понимается исполнение команд не в том порядке, как это предполагается программным кодом, а в том, как «удобно» процессору. Как пятое поколение по ходу развития было дополнено расширением ММХ, так шестое поколение получило расширения, увеличивающие возможности ММХ. У AMD это расширение 3dNnoy!, а у Intel - SSE (Streaming SIMD Extensions – потоковые расширения SIMD).

Седьмое поколение началось с процессора Athlon (у фирмы AMD). Причисление его к новому поколению обусловлено развитием суперскалярности и суперконвейерности. Седьмое поколение процессоров Intel началось позже с процессора Pentium 4.