Лекция № 2.4. Сравнительные характеристики современных аппаратных платформ.

Особенности архитектуры MIPS компании MIPS Technology.

Затем на смену микропроцессорам семейства R3000 пришли новые 64-битовые микропроцессоры R4000 и R4400 (MIPS Technology была первой компанией, выпустившей процессоры с 64-битовой архитектурой).

В середине 1994 года компания MIPS анонсировала процессор R8000, который прежде всего был ориентирован на научные прикладные задачи с интенсивным использованием операций с плавающей точкой. Например, процессоры R8000 используются в системе Power Challenge компании Silicon Graphics, которая вполне может сравниться по производительности с известными супер-компьютерами Cray Y-MP, имеет на порядок меньшую стоимость и предъявляет значительно меньшие требования к подсистемам питания и охлаждения.

В 1994 году MIPS Technology объявила также о создании своего нового суперскалярного процессора R10000, начало массовых поставок которого ожидалось в конце 1995 года.

Сейчас MIPS вошла в состав SGI. Процессоры применяются только в рабочих станциях и серверах фирмы.

Особенности архитектуры Alpha компании DEC.

В настоящее время семейство микропроцессоров с архитектурой Alpha представлено несколькими кристаллами, имеющими различные диапазоны производительности, работающие с разной тактовой частотой и рассеивающие разную мощность.

Первым на рынке появился 64-разрядный микропроцессор Alpha (DECchip 21064). Он представляет собой RISC-процессор в однокристальном исполнении. Микропроцессор Alpha 21164 представляет собой вторую полностью новую реализацию архитектуры Alpha.

Переход в 1996 году на 0.35 микронную КМОП технологию привел к возможности дальнейшего увеличения тактовой частоты и производительности процессора. В настоящее время процессоры 21164 выпускаются с тактовой частотой 500 МГц (15.4 SPECint95, 21.1 SPECfp95).

В 1998 году компания DEC была куплена корпорацией Compaq. Появилось на свет новое семейство микропроцессоров Alpha 21264, который является самым быстрым в мире на данный момент. Фирма DEC обладает передовой технологией, которая позволяла ей выпустить процессор с тактовой частотой еще года два назад, но финансовые проблемы не позволили ей этого сделать. С момента приобретения, ситуация с процессором особенно не прояснилась.

Особенности архитектуры POWER компании IBM и PowerPC компаний Motorola, Aplle и IBM, PowerPC, Power2, Power3.

Как уже было отмечено, одним из разработчиков фундаментальной концепции RISC-архитектуры был Джон Кук из Исследовательского центра IBM им.Уотсона, который в середине 70-х проводил исследования в этом направлении и построил миникомпьютер IBM 801, который так никогда и не появился на рынке. Дальнейшее развитие этих идей в компании IBM нашло отражение при разработке архитектуры POWER в конце 80-х. Архитектура POWER (и ее поднаправления POWER2 и PowerPC) в настоящее время являются основой семейства рабочих станций и серверов RISC System/6000 компании IBM.

Первая реализация архитектуры POWER появилась на рынке в 1990 году. С тех пор компания IBM представила на рынок еще две версии процессоров POWER2 и POWER2+.

Компания IBM распространяет влияние архитектуры POWER в направлении малых систем с помощью платформы PowerPC. Архитектура POWER в этой форме может обеспечивать уровень производительности и масштабируемость, превышающие возможности современных персональных компьютеров. PowerPC базируется на платформе RS/6000 в дешевой конфигурации. В архитектурном плане основные отличия этих двух разработок заключаются лишь в том, что системы PowerPC используют однокристальную реализацию архитектуры POWER, изготавливаемую компанией Motorola, в то время как большинство систем RS/6000 используют многокристальную реализацию.

При разработке архитектуры PowerPC для удовлетворения потребностей трех различных компаний (Aplle, IBM и Motorola) при сохранении совместимости с RS/6000, в архитектуре POWER было сделано несколько изменений.

Процессоры PA-RISC компании Hewlett-Packard.

Основой разработки современных изделий Hewlett-Packard является архитектура PA-RISC. Она была разработана компанией в 1986 году и с тех пор прошла несколько стадий своего развития благодаря успехам интегральной технологии от многокристального до однокристального исполнения. В сентябре 1992 года компания Hewlett-Packard объявила о создании своего суперскалярного процессора PA-7100.

Кроме того, Hewlett-Packard в сотрудничестве с Intel планируют создать новый процессор с очень длинным командным словом (VLIM-архитектура), который будет совместим как с семейством Intel x86, так и с семейством PA-RISC. Выпуск этого процессора планировался на середину 2000 года. Название Merced. На данный момент основными процессорами являются 8000 и 8200.

Особенности процессоров с архитектурой SPARC компании Sun Microsystems.

Масштабируемая процессорная архитектура SPARC (Scalable Processor Architecture) компании Sun Microsystems является наиболее широко распространенной RISCC-архитектурой, отражающей доминирующее положение компании на рынке UNIX рабочих станций и серверов. Процессоры с архитектурой SPARC лицензированы и изготавливаются по спецификациям Sun несколькими производителями, среди которых следует отметить компании Texac Instruments, Fujitsu, LSI Logic, Bipolar International Technology, Philips, Cypruss Semiconducctor и Ross Technologies. Эти компании осуществляют поставки процессоров SPARC не только самой Sun Microsystems, но и другим изместным производителям вычислительных систем, например, Solbourne, Toshiba, Matsushita, Tatung и Cray Research.

Первоначально архитектура SPARC была разработана с целью упрощения реализации 32-битового процессора. Впоследствии, по мере улучшения технологии изготовления интегральных схем, она постепенно развивалось и в настоящее время имеется 64-битовая версия этой архитектуры (SPARC-V9), которая положена в основу новых микропроцессоров, получивших название UltraSPARC.

Таким образом, компания Sun Microsystems в настоящее время обладает широчайшим спектром процессоров, способных удовлетворить нужды практически любого пользователя как с точки зрения производительности выпускаемых ею рабочих станций и серверов, так и в отношении их стоимости, и, судя по всему, не собирается уступать своих позиций на быстро меняющемся компьютерном рынке.

Процессоры с архитектурой 80*86 и Pentium, Pentium III.

Обычно, когда новая архитектура создается одним архитектором или группой архитекторов, ее отдельные части очень хорошо подогнаны друг к другу и вся архитектура может быть описана достаточно связано. Этого нельзя сказать об архитектуре 80*86, поскольку это продукт нескольких независимых групп разработчиков, которые развивали эту архитектуру более 15 лет, добавляя новые возможности к первоначальному набору команд.

В 1978 году была анонсирована архитектура Intel 8086 как совместимое вверх расширение в то время успешного 8-бит микропроцессора 8080. 8086 представляет собой 16-битовую архитектуру.

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. Анонсированный в 1982 году, микропроцессор 80286 еще дальше расширил архитектуру 8086. В 1984 году компания IBM объявила об использовании этого процессора в своей новой серии персональных компьютеров IBM PC/AT.

В 1987 году появился микропроцессор 80386, который расширил архитектуру 80286 до 32 бит. Также как и 80286, микропроцессор 80386 имеет режим выполнения программ, написанных для 8086. Хотя в то время базовой операционной системой для этих микропроцессоров оставалась MS-DOS, 32-разряд-ная архитектура и страничная организация памяти послужили основой для переноса на эту платформу операционной системы UNIX. Следует отметить, что для процессора 80286 была создана операционная система XENIX (сильно урезанный вариант системы UNIX).

Эта история иллюстрирует эффект, вызванный необходимостью обеспечения совместимости с 80*86, поскольку существовавшая база программного обеспечения на каждом шаге была слишком важной. К счастью, начиная с семейства процессоров i486 (i486SX, i486DX, i486DX2 и i486DX4), в котором сохранилась система команд и методы адресации процессора i386, уже имеет некоторые свойства RISC-микропроцессоров. Последующие процессоры (80486 в 1989 и Pentium в 1993 году) были нацелены на увеличение производительности и добавили к видимому пользователем набору команд только три новые команды, облегчающие организацию многопроцессорной работы.

Чтобы ни говорилось о неудобствах архитектуры 80886, следует иметь ввиду, что она преобладает в мире персональных компьютеров. Почти 80% установленных малых систем базируются именно на этой архитектуре. Споры относительно преимуществ CISC и RISC архитектур постепенно стихают, поскольку современные микропроцессоры стараются вобрать в себя наилучшие свойства обоих подходов.

В настоящее время компания Intel разработала и выпустила новые процессоры шестого поколения, продолжающие архитектурную линию х86. Первый процессор получил название P6 или Pentium Pro. Он работает с тактовыми частотами 150, 160, 180, 200, 400 и 600 МГц. Pentium Pro обеспечивает полную совместимость с процессорами предыдущих поколений. Он предназначен главным образом для поддержки высокопроизводительных 32-битовых вычислений в области САПР, трехмерной графики и мультимедиа, а также широкого круга коммерческих приложений баз данных.

Кроме того, в борьбу за новое поколение процессоров х86 включились компании, ранее занимавшиеся изготовлением Intel-совместимых процессоров. Это компании Advanced Micro Devices (AMD), Cyrix Corp и NexGen.

Процессоры K5 компании AMD используют в корне другой подход. Основа их процессоров – очень быстрое RISC-ядро, выполняющее высокорегулярные операции в суперскаляр-ном режиме. В процессорах K5 осуществляется аппаратная трансляция команд х86 в команды внутреннего формата, что дает лучшие условия для распараллеливания вычислений.

Сегментация.

С появлением процессора 6 поколения Pentium Pro картина начала меняться. Этот процессор, первоначально предназначавшийся для серверов и рабочих станций, так и не смог проникнуть на массовый рынок персональных компьютеров, что было связано с технологическими ограничениями. В процессоре использовалась встроенная кэш-память 2 уровня объемом 256 Кб. Хотя она изготавливалась на отдельном кристалле, при существовавшем тогда уровне технологии (0.5 мкм, а затем 0.35 мкм) добиться приемлемого снижения стоимости производства не удалось. Поэтому фирма Intel для следующих версий процессоров 6 поколения – Pentium II, не отказываясь от такого важного компонента, как встроенная кэш-память 2 уровня, выбрала другой путь, разделив производство собственно процессора (процессорного ядра) и кэш-памяти. Процессор из отдельной микросхемы превратился в модуль – печатную плату с установленным на ней процессорным ядром и микросхемами кэш-памяти. Появилась возможность, варьируя емкость и быстродействие кэш-памяти (и уровень цен) при сохранении одного и того же ядра, выпускать процессоры для разных сегментов рынка. Дальнейшее развитие технологии (переход от 0.35 мкм к 0.25 мкм) сделало возможным размещение кэш-памяти 2 уровня непосредственно на процессорном кристалле, что еще более расширило количество вариантов (позволило кроме модульной конструкции использовать и монолитную).

Начатая Intel целенаправленная сегментация процессоров, т.е. выпуск моделей, изначально ориентированных на разные сегменты рынка, вполне соответствует общей тенденции. Все более отчетливой сегментации компьютерного рынка в немалой степени способствуют, с одной стороны, определенные усилия самой компьютерной индустрии, сформулировавшей согласованные требования к компьютерам для разных групп пользователей и сфер применения (спецификации PC97, PC98, PC99), а с другой, - огромный интерес потребителей к наиболее дешевым моделям компьютеров (стоимостью менее 1000, 800, 600 и т.д. долларов).

Серьезность своих намерений по отношению к сегментации рынка фирма Intel подтвердила введением отдельных торговых марок: верхний уровень – это процессоры Xeon, нижний (базовый, стандартный) – Celeron, а максимально широкий центр – Pentium II. Следует отметить, что это разделение первоначально никак не было связано с уровнем архитектуры и технологии. Все это варианты процессора 6 поколения Pentium II, выпускаемые по единой технологии и, соответственно, очень близкие по производительности для широкого круга обычных задач. Но, в соответствии с реальными требованиями разных сегментов рынка, они представляют собой просто усложненные, нормальные или упрощенные варианты Pentium II. В дальнейшем процессоры, конечно, будут эволюционировать, но отдельные торговые марки для самых разных сегментов останутся.

Для процессоров, предназначенных для разных сегментов рынка, требование совместимости на уровне типов процессорного разъема (конструктива) не является обязательным, т.е. процессоры не обязаны быть взаимозаменяемыми. Более того, именно отличающийся конструктив становится одним из важнейших факторов, позволяющих фирме Intel добиться четкой сегментации (при очень сильном перекрытии сегментов теряется сам смысл сегментации).

Таким образом, классический вариант миграции, который наблюдался на протяжении последних лет, практически исключается. Исключается также во многих случаях и взаимозаменяемость между процессорами от разных производителей (Intel – не-Intel) даже в рамках одного и того же сегмента рынка, т.к. конструктив стал мощным инструментом конкурентной борьбы.

Перед пользователем теперь стоит проблема выбора не просто процессора с подходящим уровнем производительности, а платформы.

Технология.

Важнейшим фактором, обусловливающим непрерывный и быстрый рост производительности процессоров, является совершенствование технологии их производства. Уменьшение размера формируемых на полупроводниковом кристалле элементов приводит к возрастанию производительности (за счет более высоких тактовых частот) и достижимой степени интеграции, а также к снижению потребляемой мощности (из-за меньшего напряжения питания) и стоимости (из-за уменьшения размеров кристалла на одной пластине формируется большее число процессоров).

По уровню используемой технологии все производители процессоров достаточно близки. В настоящее время стандартной стала технология с 0.25 мкм проектными нормами, которая позволяет выпускать процессоры с тактовыми частотами 400-600 МГц (возможности используемой ранее 0.35 мкм технологии ограничены частотами около 300 МГц). Начинающаяся уже применяться 0.18 мкм технология обеспечивает тактовые частоты 600-800 МГц и более. Значительный прогресс ожидается от перехода к медным межсоединениям вместо алюминиевых. Так, фирма AMD, лицензировавшая медную технологию у фирмы Motorola, планирует к концу года достичь тактовых частот 1 ГГц, используя 0.18 мкм технологию с медными соединениями.

Процессоры фирмы Intel.

Все выпускаемые Intel в настоящее время семейства процессоров базируются на архитектуре 6 поколения P6. Выпуск процессоров 5 поколения, типа Pentium MMX, полностью прекращен. Некоторые характеристики процессоров Intel приведены в табл.2.

Процессоры Pentium II. Основой для всех выпускаемых Intel в настоящее время процессоров послужили процессоры Pentium II. И хотя они уже начали вытесняться процессорами Pentium III, их основные черты и пути развития будут в какой-то мере воспроизводиться последующими поколениями процессоров.

Первый вариант Pentium II на 233, 266 и 300 МГц рассчитан на частоту шины (или внешнюю тактовую частоту) 66 МГц.

Второй вариант Pentium II рассчитан на 100 МГц шину. Процессоры Pentium II на 233, 350, 400 и 450 МГц (частота шины у первого 66 МГц, у остальных – 100 МГц) содержат процессорное ядро Deschutes, которое отличается от Klamath только тем, что изготавливается по 0.25 мкм технологии.

Процессоры Pentium III. Процессоры Pentium III нацелены на те же сегменты рынка, что и Pentium II. Они, естественно, не конкурируют с Pentium II, а призваны просто заменить их. Главное отличите Pentium II заключается в использовании нового ядра Katmai. Кэш-память 2 уровня по-прежнему составляет 512 Кб и функционирует на вдвое меньшей частоте, чем ядро. Для производства Katmai используется 0.25 мкм технология, начиная с середины года будет осуществлен переход на 0.18 мкм проектные нормы (это уже будет ядро Coppermine). Kanmai от Deschutes отличается наличием блока SSE.

Процессоры Celeron. Процессор Celeron создавался как более дешевый вариант Pentium II, нацеленный на компьютеры базового уровня. Частота шины выбрана равной 66 МГц, что позволяет использовать более дешевые системные платы. Первая версия процессора Celeron (кодовое название Covington) выпускалась на тактовые частоты 266 и 300 МГц и представляла собой просто Pentium II без кэш-памяти 2 уровня.

Вторая версия процессора Celeron – это тоже печатная плата с припаянным на нее процессорным ядром, но уже не Deschutes, а Mendocino. Выполнено ядро Mendocino по 0.25 мкм технологии и отличается от Deschutes наличием интегрированной полноскоростной кэш-памяти 2 уровня объемом 128 Кб. Процессоры Celeron пока выпускаются на тактовых частотах 300, 333, 366, 400, 466 МГц.

Процессоры Xeon. Процессоры Xeon ориентированы на рынок серверов и рабочих станций серьезного уровня, для которых стоимость не является определяющим фактором. Поэтому в них использовано достаточно дорогостоящее решение – полноскоростная кэш-память 2 уровня большого объема (512 Кб, 1 и 2 Мб). Это позволило именно для этих условий применения добиться значи-тельного роста производительности даже в рамках архитектуры Pentium II (процессор Pentium II Xeon). В качестве ядра в процессорах Pentium II Xeon используется Deschutes.

Процессоры Pentium II Xeon имеют ряд дополнительных особенностей, учитывающих специфику сферы применения. Поддерживается многопроцессорный режим – до 8 процессоров и большой объем памяти – до 64 Гб.

В следующих версиях процессоров Xeon вместо ядра Deschutes будет, как и в Pentium III, использоваться Katmai, соответственно называться они будут Pentium III Xeon.

Процессоры фирмы AMD.

Процессоры K6-2. Процессоры K6-2ыпускаются на тактовые частоты 300, 333, 350, 380, 400 и 450 МГц. Все процессоры способны работать как с шиной 100 МГц, так и 66 МГц.

Поскольку по бизнес-приложениям K6-2 попадает в лидирующую группу, фирма AMD позиционирует его как гораздо более дешевую альтернативу Pentium III.

Процессоры K6-III. Процессор K6-III, известный также по кодовому имени Sharptooth, завершает развитие архитектуры K6.

Процессоры K6-III выпускаются по 0.25 мкм технологии на тактовые частоты 350, 380, 400 и 450 МГц. В дальнейшем ожидаются модели с частотой до 500 МГц. Напряжение питания K6-III составляет 2.3-2.5 В.

Процессор K7. Следующее семейство процессоров фирмы AMD, выпуск которых начнется в середине года, относится уже к 7 поколению и носит соответствующее название K7. Первые версии K7 будут производиться по 0.25 мкм технологии и иметь тактовые частоты 500 МГц и выше. В дальнейшем, с переходом на 0.18 мкм технологию и медные межсоединения, тактовая частота будет доведена до 1 ГГц.

Процессор K7 будет поддерживать многопроцессорность.

Сегментация и производительность.

Четкая сегментация облегчает проблему выбора процессора, но решающим остается такой фактор, как производительность. Однозначно ранжировать процессоры по уровню производительности практически невозможно, так как соотношение производительностей для разных процессоров сильно варьируется в зависимости от типа задачи. Поэтому, оставаясь в рамках существующей сегментации, естественно для оценки использовать некие типовые задачи, наиболее характерные для каждого сегмента. Для персонального компьютера типовой набор приложений выглядит примерно так:

- стандартный (базовый, начальный) уровень для дома – офисные приложения и игры, в меньшей степени графические приложения, для офиса – то же самое, но без игр;

- производительный уровень – опять офисные приложения, игры, больше графики;

- уровень High-End – в основном вычислительные и профессиональные графические приложения.

Взгляды на будущее.

В настоящее время фирма Intel контролирует примерно 75% рынка процессоров с архитектурой х86. Фирма FMD сумела отвоевать значительную часть рынка в сегменте компьютеров базового уровня и имеет хорошие шансы на сегментах более производительных компьютеров. Остальные производители пока реально претендуют только на самые дешевые компьютеры.

Ближайшее будущее процессоров фирмы AMD связано с развитием серии K7. Ожидается, что, начиная с 2000 года, произойдет переход на 0.18 мкм технологию и тактовая частота достигнет 1 ГГц. Сколько-нибудь достоверная информация о будущих процессорах других фирм пока отсутствует.

Память.

Возрастание скоростных характеристик процессоров требует и соответствующей реакции от подсистемы памяти. Память должна иметь достаточный объем и быстродействие при абсолютной надежности.

Объем.

Рекомендуемый объем памяти зависит, конечно, от того, для какого сегмента рынка предназначен компьютер. Более того. Именно способность надежно работать с памятью больших объемов является одним из наиболее важных отличий рабочих станций и серверов от обычных персональных компьютеров.

Рост рекомендуемых объемов памяти происходит практически автоматически по мере развития технологии и снижения цен на память.

Применение больших объемов памяти, 128 Мб и более, требует соблюдения ряда условий. Во-первых, кэш-память второго уровня должна кэшировать весь объем памяти, иначе упадет производительность. Во-вторых, должна использоваться коррекция ошибок или контроль четности, так как вероятность сбоя возрастает с увеличением объема памяти.