Перспективы развития микропроцессоров

Семейство Intel (CISC- процессоры) В 1978 году была анонсирована архитектура Intel 8086 как совместимое вверх расширение в то время успешного 8-битного микропроцессора 8080. 8086-й представляет собой 16-битовую архитектуру со всеми внутренними регистрами, имеющими 16-битовую разрядность. При этом регистры процессора в ряде случаев выполняют специальные функции (например, регистр BX играет роль базы при некоторых способах адресации), являясь в общем случае регистрами общего назначения. Микропроцессор 8086 (точнее, его версия 8088 с 8-битовой внешней шиной) стал основой, завоевавшей впоследствии весь мир серии компьютеров IBM PC, работающих под управлением операционной системы MS-DOS.

Архитектура x86 на начальном этапе, впрочем, как и при последующем  развитии, являлась типичной CISC (Complex Instruction Set Computing) архитектурой, то есть архитектурой с полным набором команд. По мере необходимости набор команд попросту дополнялся новыми операциями. Собственно, история дальнейшего развития этой серии являлась историей добавления в набор инструкций новых команд. Хотя при этом и вводились некоторые архитектурные новшества (например, другая модель памяти) и улучшалась технология производства кристалла.

Появившийся в 1993 году процессор Pentium ознаменовал собой новый этап в развитии архитектуры x86. Процессор Pentium по сравнению со своими предшественниками обладает целым рядом улучшенных характеристик. Даже при одинаковой тактовой частоте Pentium значительно превосходит i486 по производительности. Компьютерные тесты приблизительно приравнивают i486DX4-120 и Penti-um-60. То есть производительность увеличилась в два раза! Этот пример поучителен в том смысле, что демонстрирует, насколько правильный архитектурный подход может увеличить производительность процессора.

В процессоре Pentium был реализован целый ряд новых механизмов, в том числе суперскалярная обработка и динамическое прогнозирование направления переходов. Особая архитектурная организация позволила производить независимое выполнение сразу двух простых команд. Кроме того, с введением специального буфера переходов стало возможным вычислять адрес заранее, до выполнения условия перехода, а при выполнении условия – извлекать адрес уже не путем новых вычислений, а прямо из буфера.

Однако для достижения большей, по сравнению с предыдущими CISC-моделями, производительности уже является необходимым  использование технических решений, широко применяющихся при построении RISC (Reduced Instruction Set Computing, ограниченный набор команд) процессоров: • выполнение команд не в предписанной программой последовательности, что устраняет во многих случаях приостановку конвейеров из-за ожидания операндов операций; • использование методики переименования регистров, позволяющей увеличивать эффективный размер регистрового файла (малое количество регистров – одно из самых узких мест архитектуры x86); • расширение суперскалярных возможностей по отношению к процессору Pentium, в котором обеспечивается одновременная выдача только двух команд с достаточно жесткими ограничениями на их комбинации.

Ввиду того, что семейство Intel с самого начала получило хороший старт, эта архитектура по-прежнему остается одной из самых распространенных в мире. Связано это как с удобным набором команд (ведь дополнительные команды вводились, в том числе, и с учетом рекомендаций разработчиков программного обеспечения), так и с большим обилием программного обеспечения для этой платформы. Все это позволило организовать производство процессоров в таком объеме, что их цена оказалась доступной для самых широких потребительских кругов.

Однако в  дальнейшем развитии этой линии наблюдается  готовность к большим переменам. При сохранении всех прочих достижений, время диктует необходимость  внесения больших корректив. Прежде всего, CISC-архитектура довольно сложна в плане распараллеливания,–  необходимо постоянно учитывать  время исполнения команд (у каждой команды оно свое), решать проблемы синхронизации данных, осуществлять диспетчеризацию доступа к оперативной  памяти и т. д.

Недаром в  последних моделях Pentium-II и Pentium-III нет ничего качественно нового. В основном, изменения касаются введения новых команд, связанных, прежде всего, с обработкой мультимедийной информации. Однако еще в процессорах с расширением MMX начали внедряться так называемые SIMD (Single Instruction Many Data) инструкции, в которых одно и то же действие совершается над многими данными. В этом можно уследить качественно новую перспективу – подобных команд становится все больше от модели к модели, в скором времени мы сможем наблюдать качественный скачок в развитии процессоров этого семейства.

Действительно, внедрение SIMD-команд является наиболее достойным выходом для CISC-архитектуры. Простое механическое увеличение числа команд является экстенсивным путем развития, который не может  не привести к серьезному снижению по производительности (все больше времени затрачивается на дешифрацию кода операции, все больше вычислений производится для извлечения операндов  из памяти и т. д.). Дальнейшее увеличение суперскалярной обработки тоже требует больших интеллектуальных затрат. Слишком уж разный формат команд используется, слишком они различаются по времени исполнения. Увеличение же производительности только за счет улучшения технологии производства – недостаточно эффективно.

Итак, скорее всего в самом ближайшем  будущем можно будет ожидать  качественных изменений в линии  Intel, связанных, прежде всего, с внедрением SIMD-инструкций. И также довольно уверенно можно говорить о том, что в самом ближайшем будущем семейство Intel не сдаст своих позиций на рынке SOHO (Small Office Home Office), потому что архитектура Intel по-прежнему остается одной из самых привлекательных для разработчиков пакетов прикладных программ.

RISC-архитектура (Power PC, Alpha, DSP и т. п.) Как уже говорилось выше, CISC-архитектура оказалась очень неудобной для организации суперскалярной обработки, а довольно вольный подход к формату команд приводит к большим потерям по времени из-за сложного алгоритма обработки каждой команды. Идеи о том, как всего этого избежать, и легли в основу процессоров с RISC-архитектурой.

На систему команд был наложен  ряд ограничений: • все команды  стали иметь один размер, так что  процессор больше не затрачивает  время, необходимое для извлечения дополнительных байтов выполняемой  инструкции; • все команды, в идеале, выполняются за один машинный такт, а их малое количество позволяет  обходиться ограниченным количеством  битов для задания кода операции; • используются простые методы адресации; • команды, которые изменяют данные, не обладают доступом непосредственно к памяти (все делается через регистры общего назначения); • число регистров общего назначения достаточно велико, так что общее количество обращений к памяти сведено к минимуму.

Такой подход оказался крайне эффективным, до сих пор отрасль RISC-процессоров  – одна из наиболее динамично развивающихся. Все ограничения, наложенные на набор команд, позволяют построить архитектуру процессора с максимальной эффективностью. Время дешифрации команд и время на получение операндов сведены к минимуму. Из-за жестких ограничений по времени исполнения команд почти нет проблем и с синхронизацией при суперскалярной обработке. Компания Apple, производитель процессоров с архитектурой Power, не раз демонстрировала превосходство по производительности своих процессоров над аналогичными моделями фирмы Intel. Многие профессиональные дизайнеры предпочитают работать на компьютерах Macintosh, построенных на базе процессора PowerPC.

Однако накладываемые ограничения  оказываются палкой о двух концах. Ввиду того, что действия, которые  должен совершать компьютер, все  равно остались, а многие команды  в RISC-процессорах просто не реализованы, то зачастую для выполнения некоего  действия, которое задано в Pentium одной командой, в RISC-процессорах приходится запускать целый алгоритмический блок. Да и собственно среда разработки оказалась достаточно сложной, приходится отвоевывать рынок программного обеспечения у ныне существующих систем. Все это привело к тому, что большинство RISC-архитектур используtтся исключительно в узкопрофессиональных областях.

Чтобы как-то исправить подобные недостатки, в последнее время разработчики микропроцессоров стали прибегать  к созданию гибридов RISC- и CISC-архитектуры. Новые процессоры обладают полной совместимостью по набору команд с процессорами фирмы  Intel. Но при получении такой команды на исполнение происходит трансляция инструкции в микрокод, который уже и идет на исполнение. Микрокод же этот состоит уже из RISC-команд. Как ни странно, такой подход оказался наилучшим выходом из создавшегося положения. С одной стороны, все существующее программное обеспечение с успехом выполняется, с другой – доступны все те возможности по суперскалярной обработке, какие предоставляет RISC-архитектура. При этом и проектировать такие процессоры гораздо проще, нежели традиционные CISC-архитектуры. Именно такой подход был реализован и при создании микропроцессора Эльбрус E2k с архитектурой EPIC. Это проект компании Эльбрус Интернэшнл, руководит проектом член-корреспондент РАН Б.А. Бабаян (более подробно о нем см. "КОМПЬЮТЕР бизнес МАРКЕТ" №15). Набор системного программного обеспечения E2k включает в себя распараллеливающий компилятор и двоичный транслятор кода x86.Разработчики утверждают, что Е2k будет иметь более высокую производительность при меньшем энергопотреблении и меньших размерах кристалла. При этом программной двоичной трансляцией обеспечивается полная совместимость с кодом x86 почти без потерь производительности по сравнению с собственным кодом E2k. Это достигается как раз за счет применения суперскалярной обработки, которая оказывается осуществима только в рамках RISC-архитектуры.

В общем, RISC-архитектура в настоящее  время является одним из самых  перспективных направлений развития процессоров. Однако этой архитектуре  присущ и ряд недостатков, связанных, прежде всего, с потерей универсальности  в угоду производительности. Насколько  успешно удастся эти ограничения  обойти, настолько плодотворной будет  дальнейшая работа над этой линией процессоров.

Нечто совсем другое Не стоит думать, что RISC и CISC – это все возможные варианты построения современных процессоров. Во-первых, существует целый ряд менее известных архитектур. Во-вторых, есть и более узкоспециализированные архитектуры, которые разрабатывались под конкретную задачу (например, спецвычислители). Наконец, в-третьих, ведутся и принципиально новые разработки, о которых в настоящее время просто мало известно. В самом недалеком будущем, возможно, они будут обнародованы. В этом случае мы можем оказаться свидетелями больших перемен по сравнению с существующей в настоящее время ситуацией.

Одной из таких эффективных разработок является микропроцессорная система  с гибкой логикой. Проект разрабатывается  в Санкт-Петербургском институте  информатики и автоматизации  РАН под руководством проф. В.А.Торгашева.

Основу системы составляет динамически  изменяемая схема на элементах с  гибкой логикой. Путем программирования непосредственно этой схемы оказывается  возможным изменять саму архитектуру  процессора. Ранее уже говорилось о том, что наиболее производительной оказывается система, специально созданная  под конкретную задачу. Но она становится слишком дорогой, если разрабатывать, а потом и организовывать ее производство. Так вот – за счет способности  к динамической перестройке система  с изменяемой архитектурой (и, заметьте, с динамически изменяемой системой команд!) оказывается способной совместить в себе и массовость универсальных  систем, и производительность специализированных.                                           Конечно, при использовании системы, основы которой можно подвергнуть изменению, возникают свои трудности. Самая первая из них – это разработка программного интерфейса. Очень трудно программировать в условиях, когда правила игры все время меняются. Если использовать эту систему в чистом виде, то необходимо подумать о разработке качественно новых алгоритмов функционирования программ. Например, вместо инициализации переменных в такой программе должны сначала инициализироваться система команд и архитектура системы. Для их описания необходимо использовать свой, специальный язык описаний. Что, в свою очередь, порождает проблему создания загрузчика и транслятора таких описаний.

Но достоинство подобной системы  заключается в ее универсальности, что не только создает предпосылки  массовости, но и существенно облегчает  внедрение. Ее можно использовать и  совместно с традиционными процессорными  системами. Так же, как работает 3D-акселератор, облегчая процессору выполнение специальных  действий по обработке графики, так  и эта система может играть роль акселератора, причем не только графического. Специальный набор программного обеспечения может превратить эту систему в акселератор любых действий, которые вам необходимы. Уже в настоящее время реализованы в железе прототипы таких систем. Пока что они не полностью автоматизированы, но уже сейчас они показывают производительность, превосходящую заурядные универсальные системы, пусть и выполненные на более современной элементной базе.

Так что далеко не все возможности  по развитию микропроцессоров (и, естественно, целиком компьютеров) на сегодняшний  день исчерпаны. Следовательно, в ближайшем  будущем всех нас ожидает еще  много нового и интересного.                                                                                                                       

 Intel начинает производство серверных процессоров по 45-нм техпроцессу .

Компания Intel начала производство двух низковольтных процессоров для серверов и рабочих станций. Четырехъядерные процессоры серии Intel Xeon L5400 производятся по 45-нм технологическому процессу компании Intel с использованием новой технологии транзистора, что заметно увеличивает производительность чипов и снижает потребляемую ими мощность, заявил представитель компании.

Процессоры линейки Xeon L5400 по сравнению с предыдущими поколениями чипов Intel, по меньшей мере, на 25% производительнее и имеют вдвое больший размер кэша, в то время как потребляемая новыми процессорами мощность составляет 50 Вт. Тактовые частоты четырехъядерных процессоров L5410 и L5420 составляют 2.33 ГГц и 2.5 ГГц соответственно, размер кэша — 12 Мб, а частота шины FSB равна 1333 МГц.

В соответствии с предоставленной  представителем компании Intel информацией, большинство вендоров компьютерных систем, среди которых такие компании Asustek Computer, Dell, Fujitsu, Fujitsu-Siemens, Gigabyte Technology, Hewlett-Packard, Hitachi, IBM, Microstar, NEC, Quanta, Rackable, Supermicro, Tyan и Verari, поддерживают линейки процессоров L5400 и L5210. В планы компании Intel на следующий квартал также входит начало поставок новых двухъядерных низковольтных процессоров с потребляемой мощностью 40 Вт, тактовой частотой 3 ГГц, размером кэша 6 Мб и частотой шины FSB 1333 МГц. Intel также расширит существующую линейку четырехъядерных процессоров Intel Xeon 5400 для вложенных сегментов рынка, предлагая четырехъядерный процессор L5410 с 7-летним жизненным циклом.