Знакомьтесь, информационные технологии - Аркадий Воловник

Кроме этих двух компаний, более простые и менее производительные процессоры архитектуры IA32 выпускают также компании Rise (процессоры шР6, шР6 II) и Centaur (серия процессоров – Wine hip). Ранее описанный процессор MediaGX компании National Semiconductor также имеет ядро с той же архитектурой. Объем выпуска этих процессоров не велик – менее 1 % рынка.

Компьютер Macintosh фирмы Apple (а также его «родственники»: настольные – iMac, PowerMac G4, PowerMac G4 Cube и ноутбуки – iBook, PowerBook G4) существенно отличается от IBM PC, хотя современному пользователю компьютера эти отличия и не очень заметны. Компьютеры Apple начали выпускаться на четыре года раньше конкурентов [35] . Однако компания Apple не позволила другим фирмам производить детали для своего компьютера: она сама создавала для него и программное обеспечение. Идеология IBM PC (открытая архитектура) изначально предполагала, что детали для этих компьютеров будут делать множество независимых компаний. И программное обеспечение тоже. Конкуренция привела к тому, что стоимость компьютеров IBM PC стала значительно ниже, чем Macintosh. Сегодня цены почти сравнялись. Компьютеры Macintosh (следующая серия компьютеров после Apple) всегда отличались великолепной графикой и звуком. И сегодня во многих редакциях газеты и журналы готовятся именно на этих компьютерах. На них же работают и многие музыканты. Современные звуковые и графические платы IBM PC тоже позволяют получать хорошее изображение и звук, но на Macintosh результат лучше.

В компьютерах Macintosh применяются два вида процессоров: G3, G4 компании Motorola и Power PC от IBM. Эти процессоры разрабатывались обеими фирмами совместно. Они имели более современную архитектуру ядра, чем процессоры 86-й серии. Motorola и IBM создавали совершенно новый процессор, используя последние достижения технологии и учитывая опыт использования других процессоров. В результате получился очень эффективный процессор, который при равной частоте с процессорами Intel обеспечивает большую производительность. Правда, пока частота работы процессоров G3, G4 и Power PC ниже.

Архитектура микропроцессоров

Разрабатывая свои первые микропроцессоры, компания Intel предложила для них архитектуру, которая позже была названа архитектурой с полным набором команд (CISC–Complete Instruction Set Computer). Эта архитектура сохранена во всех 32-разрядных процессорах, выпускаемых Intel и AMD.

Для CISC-архитектуры характерно:

• сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

• большое количество кодов, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за несколько тактов;

• большое количество методов адресации;

• большое количество форматов команд различной разрядности;

• преобладание двухадресного формата команд;

• наличие команд обработки типа «регистр-память».

Тридцать лет назад именно такая архитектура (с учетом технологических особенностей изготовления процессоров) была наилучшей, позволяющей получить максимальную производительность компьютера.

К середине 80-х годов XX века технология производства интегральных микросхем значительно продвинулась по сравнению с предыдущим десятилетием, и старая архитектура уже не могла обеспечить максимальной производительности. Требовались новые структурные решения. Компания Intel стала жертвой успеха своих микропроцессоров – массовое использование процессоров х86 с устаревшей CISC-архитектурой привело к тому, что для них было создано огромное количество программ. И компания не могла начать производство процессоров с новой архитектурой, на которых нельзя использовать эти программы, и вынуждена была выпускать процессоры с устаревшей архитектурой. В это время другие компании, не обремененные успехом, предложили новую архитектуру микропроцессора с сокращенным набором команд (RISC – Reduced Instruction Set Computer). Впервые идеи такой архитектуры были реализованы в компьютере CDC6600, еще позднее она была применена при создании суперкомпьютеров компании Cray Research. Окончательно архитектура RISC сформировалась при разработке трех процессоров: 801 компании IBM, RISC университета Беркли и MIPS Стенфордского университета. Среди особенностей RISC-архитектур следует отметить:

• малый набор кодов;

• выполнение большинства инструкций за один такт;

• короткие связи внутри процессора, что позволяет сократить длительность такта и увеличить частоту работы процессора;

• конвейерную обработку нескольких команд (когда за один такт в компьютере обрабатывается сразу несколько последовательных команд);

• наличие большого количества регистров (32 или большее число регистров по сравнению с 8—16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах процессора большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные;

• как правило, используются трехадресные команды, что, помимо упрощения дешифрации, дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд.

Сегодня технология производства микропроцессоров продолжает развиваться дальше:

• уменьшаются технологические размеры транзисторов (сегодня технологическая норма – 0,013 мкм);

• появились новые технологии, такие как «кремний на изоляторе» (SOI) и использование медных проводников;

• внедряются новые методы изоляции проводников, например диэлектрик с низкой теплопроводностью, позволяющей добиться почти 30-процентного увеличения скорости вычислений и производительности;

• создан транзистор нового типа, получивший наименование «транзистор на обедненной подложке» («depleted substrate transistor»);

• внедряются новые полупроводниковые материалы, такие как «высокоизолирующий диэлектрик с К-затвором» («high k-gate dielectric»).

Эти и другие технологические решения позволяют снизить утечки тока в транзисторе и заметно уменьшить энергопотребление микропроцессора, что дает возможность разместить в нем значительно больше электронных элементов, работающих на более высоких частотах. В результате в современном микропроцессоре можно реализовать многие структурные решения, ранее казавшиеся недоступными. Одним из таких решений является новая архитектура, известная под названием Intel Architecture-64 (IA-64). Она не является 64-разрядным расширением 32-разрядной архитектуры х86 компании Intel (то есть это не CISC-архитектура), а также это и не переработка 64-разрядной архитектуры RISC.

IA-64 представляет собой новую архитектуру, использующую различные оригинальные решения, такие как:

• длинные слова команд (long instruction words – LIW);

• предикаты команд (instruction predication);

• устранение ветвлений (branch elimination);

• предварительная загрузка данных (speculative loading)

и другие решения, позволяющие «извлечь больше параллелизма» из кода программ. Эта архитектура получила наименование Explicitly Parallel Instruction Computing (EPIC) – явно параллельные инструкции компьютера.

Самые мощные

Сегодня все больше компьютеров используются для управления компьютерами, что связано со стремительным развитием локальных и глобальных информационных сетей. Более того, компании Sun Microsystems и Oracle разрабатывают идеологию, аппаратные и программные средства для создания «сетевого» компьютера, способного работать только в сети. Поэтому фирма Sun и придерживается концепции «Сеть – это компьютер». Естественно, для обеспечения работы сетей необходимы серверы [36] различной производительности: от сверхмощных до простых принт-серверов, обеспечивающих коллективное использование одного принтера несколькими компьютерами. В современных серверах используются две группы процессоров: для начального уровня – 32-разряцные процессоры, а для мощных серверов – 64-разряцные процессоры. В табл. 2.3 приведены данные по суммарному выпуску серверов ведущими компьютерными компаниями.

Таблица 2.3.

Рынок серверов

К серверным процессорам предъявляется ряд специфичных требований, среди которых особо выделяется возможность работы в многопроцессорном компьютере. Как следствие, эти процессоры должны оснащаться кэш-памятью большого объема, позволяющей сократить количество обращений к памяти. В зависимости от решаемых задач серверы должны оснащаться различным числом процессоров. Эти изменения принято называть масштабируемостью сервера. 32-разрядные процессоры, описанные выше, также могут использоваться в серверах. Компания Intel производит процессор Pentium Хеоп, специально предназначенный для установки в серверы. Его главное отличие от Pentium а – большая кэш-память.

Сегодня 64-разрядные процессоры выпускают IBM (процессор Power3), Hewlett-Packard (PA [37] -8700), Sun Microsystems (UltraSPARC [38] ), Compaq и Samsung (Alpha EVxx), а также Silicon Graphics (MIPS [39] ). 64-разрядная адресация памяти позволяет оснащать серверы оперативной памятью объемом 256 Гбайт и более. Такая память дает возможность с минимальными временными затратами получать данные из Internet. Все эти процессоры основаны на RISC (Reduced Instruction Set Computing – ограниченный набор команд) – архитектуре, которая сегодня обеспечивает максимальную производительность компьютера. Объем кэшпамяти у них достигает 8 Мбайт. Во всех процессорах организовано параллельное выполнение нескольких (до 10) команд, что значительно увеличивает его производительность без наращивания частоты. Особо выделяются процессоры MIPS, предназначенные для серверов и рабочих станций, ориентированных на работу с графикой и видеопотоком [40] .