RISC-процессоры

Архитектура Power (микропроцессоры Power 3, Power 4) разрабатывается компанией IBM с конца 1980-х годов. В ее основе лежат принципы RISC-архитектуры: фиксированный формат команд, регистровые операции, однотактовое выполнение команд, простые способы адресации, большой регистровый файл. В то же время имеется несколько существенных особенностей, отличающих данную архитектуру от архитектур других RISC-процессоров. К ним относятся: независимый набор регистров для каждого из исполнительных устройств; включение в систему отдельных CISC-подобных инструкций (например, команды групповой загрузки/сохранения, команды манипуляции битовыми полями, смешанные команды умножения-сложения с плавающей точкой); отсутствие механизма “задержанных переходов” (т. е. опережающее выполнение команды, следующей за командой условного перехода); оригинальный способ реализации условных переходов (наличие разряда условного выполнения в коде операции каждой команды и нескольких регистров условий). Основной областью применения микропроцессоров с архитектурой являются высокопроизводительные серверы и суперкомпьютеры.

Архитектура PowerPC появилась в результате стремления разработчиков применить созданную архитектуру Power и в менее производи­тельных, дешевых системах для персональных компьютеров и рабочих станций начального уровня.

Первый микропроцессор с данной архитектурой (PowerPC 601) появился в 1991 году в результате совместных усилий трех компаний: автора архитектуры Power – IBM, одного из лидеров в производстве персональных компьютеров – Apple и производителя микропроцессоров для компьютеров Apple – Motorola.

В настоящее время архитектура PowerPC используется в микропроцессорах IBM и Motorola, применяемых в контроллерах, телекоммуникационном оборудовании, персональных компьютерах, серверах и рабочих станциях. В то же время IBM продолжает самостоятельно разрабатывать микропроцессоры с архитектурой Power, ориентированные на использование в высокопроизводительных мультипроцессорных системах.

В последних разработках Motorola и IBM новые архитектурные решения сочетаются с прогрессивной технологией производства микросхем (медные соединения, SOI), позволяющей уменьшить размер кристалла, снизить энергопотребление и поднять тактовую частоту микропроцессоров. К наиболее интересным разработкам последнего времени относятся микропроцессоры, G3 (PowerPC 750/740), G4 (PowerPC 7400), G5 (PowerPC 970), Power 3, Power 4. Технология обработки мультимедийных данных AltiVec, предложенная компанией Motorola, впервые была реализована в микропроцессоре PowerPC G4. 64-разрядный микропроцессор Power3 разработан компанией IBM как альтернатива высокопроизводительным процессорам Intel и Alpha. Микропроцессор Power 4 имеет систему команд IBM ISA, реализованную в ЭВМ RS/6000 и AS/400 и полностью совместимую с системой команд PowerPC.

Архитектура микропроцессоров Alpha впервые была представлена в феврале 1992 года компанией DEC, а уже в феврале 1993 года был выпущен первый из микропроцессоров Alpha 21064 с тактовой частотой 200 МГц, выполненный по 0, 75 мкм КМОП технологии с 4 слоями металлизации. Процессор содержал 1, 68 млн транзисторов на кристалле площадью 238 мм².

Благодаря высокой тактовой частоте и высокой степени конвейеризации выполняемых операций (до 10 тактов на операцию) этот микропроцессор надолго занял лидирующее положение по производительности. Основной областью использования процессора явились высокопроизводительные ра­бочие станции и серверы.

На протяжении ряда лет микропроцессоры Alpha, разработанные компанией DEC, являлись лидерами в производительности. Первые 64-рядные микропроцессоры разрабатывались в рамках концепции Spead Daemon, затем, начиная с модели 21264, разработчики начали использовать решения, характерные для концепции Brainiac.

Микропроцессор нового поколения Alpha 21264 был представлен в мае 1997 года. Микропроцессор содержал 15, 2 млн транзисторов на кристалле площадью 310 мм² и изготовлялся по КМОП-технологии с 6 слоями металлизации.

В отличие от предыдущих микропроцессоров семейства, наряду с высокой тактовой частотой, в Alpha 21264 использовался сложный механизм динамического исполнения команд: динамическое планирование с изменением последовательности команд, переименование регистров, спекулятивное выполнение команд.

Новый микропроцессор компании Hewlett-Packard Alpha 21364 (в 1998 год компания DEC, разработчик архитектуры микропроцессоров Alpha, была куплена Compaq, которая в свою очередь влилась в Hewlett-Packard) был выпущен в конце 2002 года.

Процессор содержит то же самое ядро, что и Alpha 21264, однако имеет ряд существенных дополнений. В отличие от предыдущего процессора на кри­сталле размещена 6-входовая множественно-ассо­циативная кэш-память вто­рого уровня объемом 1, 75 Мбайт, восьмиканальный контроллер динамиче­ской памяти Direct Rambus и сетевой интерфейс памяти.

Архитектур PA (Precision Architecture) была впервые реализована в 32-разрядном микропроцессоре PA-RISC компании Hewlett-Packard (HP) в 1986 году. Последовательно развивая принципы RISC архитектуры, в 1996 году HP вы­пустила микропроцессор РА-8000, в котором в полной мере воплощены ос­новные принципы динамического исполнения команд (“интеллектуального выполнения” – в терминах Hewlett-Packard).

Следующим микропроцессором семейства стал РА-8600, представленный HP в конце 1999 года. В микропроцессоре использованы новые алгоритмы рабо­ты с кэш-памятью (алгоритм замещения квази-LRU (Least Recently Used Removal – удаляются долго не используемые страницы памяти)). Для по­вышения надежности кэш-память реализована с механизмом обнаружения и исправления ошибок. Улучшен алгоритм предсказания переходов. Супер­скалярное устройство вычислений в формате с плавающей точкой позволяет за один такт получать до 4 результатов, что обеспечивает производитель­ность микропроцессора 2, 2 Gflops на тактовой частоте 550 МГц.

В марте 2000 года был выпущен очередной микропроцессор семейства – РА-8700. Новый микропроцессор изготавливается по 0, 18-микронной КМОП-технологии “кремний на изоляторе” (SOI – Sili­con on Insulator) с семислойными медными соединениями, что позволило разместить на кри­сталле 2, 25 Мбайт кэш-памяти первого уровня (кэш данных – 1, 5 Мбайт, кэш команд – 750 Кбайт), использовать пониженное напряжение питания и повысить тактовую частоту до 800 МГц и выше. Производительность мик­ропроцессора составила 3, 2 млрд. операций в секунду.

Одна из последних разработок компании HP – микропроцессор РА-8800 (кодовое название Mako) – представляет собой двухпроцессор­ную систему на основе модифицированного ядра РА-8700, выполненную на одном кристалле и размещенную в одном картридже с кэш-памятью второго уровня объемом 32 Мбайт.

Системная шина Mako такая же, как в процессоре Intel McKinley: ширина 128 бит, частота 400 МГц, пропускная способность 6, 4 Гбайт/с. Процессор производится по 0, 13 мкм технологии, с медными соединениями, изолятором с низкой диэлектрической постоянной и изолированной подложкой (SOI).

В дальнейших планах HP предусматривается выпуск еще одного микропро­цессора РА-8900, рассчитанного на тактовую частоту 1, 2–1, 3 ГГц, и совме­стная с Intel работа над микропроцессорами с архитектурой IA-64.

Архитектура SPARС была создана компанией Sun Microsystems в 1985 г. В частности, в архитектуру SPARC вошла предложенная в Беркли концепция “регистровых окон”, упрощающая создание однопроходных компиляторов и существенно снижающая количество команд обращения к памяти по сравнению с другими реализациями RISC-архитектуры. Семейство микропроцессоров с архитектурой SPАRС включает 32-разрядные микропроцессоры MicroSPARC, SuperSPARC, HiperSPARC и 64-разрядный микропроцессор UltraSPARC. Основной областью применения SPARС-процессоров являются высокопроизводительные рабочие станции, серверы и суперкомпьютеры.

Микропроцессоры с архитектурой MIPS компании MIPS (c 1992 го­да является самостоятельным отделением фирмы Silicon Graphics) применяются в игровых приставках, карманных компьютерах, высокопроизводительных серверах, рабочих станциях и являются хоро­шей иллюстрацией воплощения концепции “Brainiac” в архитектуре процессора.

Разработанный компанией MIPS Technology Inc 64-разрядный микропро­цессор R10000 построен на базе предыдущих поколений RISC-процессоров (R2000, R3000, R4000 и R5000).

В основе этого микропроцессора лежит суперскалярная RISC-технология пятого поколения, реализованная ранее в ориентированном на суперЭВМ процессоре R8000. Однако, в отличие от многокристального R8000, оптимизированного для высокопроизводительных научных расчетов, R10000 представляет собой однокристальный процессор общего назначения для настольных ПК, рабочих станций и серверов. Он обеспечивает лучший, чем в R8000, баланс между целочисленными операциями и операциями с плавающей точкой, что делает его более подходящим для широкого класса приложений. R10000 проектировался так, чтобы его можно было с равным успехом применять в бытовых ПК с Windows NT, на рабочих станциях с UNIX или в многопроцессорных серверах баз данных.

R10000 содержит высокоскоростной (до 1, 6 Гбайт/с) внутрикристальный интерфейс “процессор-шина”, позволяющий объединять в многопроцессорной конфигурации до четырех процессоров без использования дополнительных интерфейсных схем.

Следующий микропроцессор – R12000 – по архитектуре немногим отличается от R10000:

· в R12000 в 4 раза возросла емкость таблицы предсказания переходов – до 2048 строк;

· появилась кэш-память адресов перехода емкостью 32 строки;

· с 32 до 48 увеличено максимальное число инструкций, которые могут выполняться с нарушением порядка следования;

· улучшена работа с кэш-памятью второго уровня;

· увеличены длины конвейеров.

В 2001 году Silicon Graphics (SG) выпустила очередной микропроцессор семейства – R14000. Этот микропроцессор производится по 0, 13-микронной медной технологии и работает на частоте 500 МГц. Существенных изменений по сравнению с R12000 архитектура микропроцессора не претерпела.

В планах SG – выпуск R16000 с частотой 600 МГц, R18000 с частой 800 МГц и ожидаемой пиковой производительностью 3, 2 Gflops, a также R20000 с частотой 1 ГГц и пиковой производительностью 4 Gflops. После 2005 года SG планирует свернуть микропроцессорное производство и в дальнейшем использовать в своих серверах и рабочих станциях микропроцессоры Intel/HP с архитектурой IA-64.