Alpha — первая буква...

В рамках публикации архивных материалов предлагаем вашему вниманию статью из №21 (190) «Компьютерного Обозрения» от 2 июня 1999 г. Статья про процессоры Alpha, история которых к тому моменту, уже к сожалению шла к закату. Но эти процессоры оставили большой след в истории всей индустрии.

Общеизвестно, что микропроцессоры сегодня развиваются стремительнее каких-либо других устройств в компьютерном мире. Только недавно мы увидели первые серийные образцы Pentium III, как AMD уже грозится выпустить на рынок свой К7, a Samsung обещает к концу года Alpha 21264 с частотой 1 GHz. А там не за горами и Merced...

Как это ни парадоксально, но в настоящее время за собственный кусок рыночного пирога на процессорном рынке борется довольно много компаний. И все же как об основных конкурентах говорят только о Merced и Alpha. Почему? В этом, собственно, мы и попробуем разобраться.

Но сначала попытаемся составить общую картину данного рынка. О своих достижениях и планах чуть ли ни ежемесячно сообщают ведущие игроки, среди которых Intel, IBM, AMD, Compaq, Sun, HP, Motorola, при этом практически все они решают одни и те же проблемы и предлагают похожие решения — распараллеливание вычислений, увеличение объема и оптимизацию работы кэш-памяти, дополнительные мультимедиа-инструкции и переход на технологию 0,25 мкм, а в наиболее передовых чипах — на 0,18-микронную.

Итак, на звание самых производительных сегодня претендуют следующие микропроцессорные архитектуры:

• Alpha Processor — Alpha 21264.

• Intel — Xeon.

• Sun — Ultrasparc.

• IBM/Motorola — PowerPC.

• IBM — Power.

• HP — PA-RISC.

В таблице представлены показатели эталонных тестов производительности SPEC, которая достаточно наглядно показывает нынешнее распределение процессоров по быстродействию.

Если ввести такие понятия, как эффективность и сбалансированность архитектуры, то на основании приведенной таблицы можно получить достаточно интересные результаты. В дальнейшем под эффективностью архитектуры будем понимать отношения SPECint (или SPECfp) к тактовой частоте (очевидно, что высокие показатели SPEC-тестов при более низкой тактовой частоте «сигнализируют» об удачных архитектурных решениях процессора и о существовании экстенсивного пути повышения производительности за счет перехода на новые технологические нормы с сопутствующим увеличением тактовой частоты), под сбалансированностью — отношение эффективностей для целочисленных и вычислений с плавающей точкой (его близость к единице указывает на тщательную проработку всех подсистем CPU).

Элементарные расчеты подтверждают, что «хоронить» удачные процессоры PA-RISC, PowerPC и UltraSPARC слишком рано — их показатели очень высоки.

Однако большинство аналитиков сходятся во мнении, что в предстоящем «великом противостоянии процессоров» основными игроками будут Intel Merced и Compaq Alpha. Причины подобного единодушия достаточно очевидны. Во-первых, Intel, постоянный лидер рынка «массовых вычислений», сформировала стандарт де-факто на архитектуру х86. Во-вторых, Alpha, подкрепленный финансовой мощью Compaq, -единственный из семейства сверхмощных микропроцессоров, характеризующийся достаточно либеральной схемой лицензирования и отлично отработанной технологией. Более того, показатели производительности уже существующих Alpha настолько высоки, что уже сейчас составляют серьезнейшую конкуренцию еще не «родившемуся» Merced. Если добавить к этим сведениям ожидающийся ценовой диапазон Merced (3~4 тыс. долл.), то можно смело утверждать -битва за рынок мощных вычислительных систем будет очень серьезной.

ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ ALPHA

Начать, пожалуй, стоит с того, что Alpha — это 64-битовая RISC-архитектура, спроектированная специалистами фирмы DEC (Digital Equipment Corporation) с учетом трех основных особенностей, которые оказывают наиболее существенное влияние на производительность. Это — высокая тактовая частота, возможность множественной обработки инструкций и поддержка многопроцессорности. В результате исследования и анализа основных особенностей RISC-архитектуры был создан новый высокопроизводительный процессор, положивший начало целому «клану».

Первой в семействе Alpha появилась модель 21064, выпущенная в 1992 г. При максимальной частоте в 200 MHz это был достаточно мощный чип. Он представлял собой 64-раз-рядный однокристальный RISC-микропроцессор с кэш-памятью 64 КВ и очень производительным блоком обработки чисел с плавающей запятой, имел конвейерную архитектуру и эффективные средства организации SMP (Symmetric Multy-Processing). Через некоторое время после выпуска 200-мегагер-цевой версии 21064 вышел модернизированный вариант процессора — 21064А с частотой 275 MHz.

При этом его производительность достигала 4,24 единицы по SPECint95 и 6,29 по SPECfр95 — совершенно потрясающие результаты для 1993 г.

В 1994 г. фирмой DEC был представлен новый микропроцессор семейства Alpha — модель 21164. Первые чипы производились по 0,5-микронной технологии и при частоте L 266 MHz имели быстродействие 7,7 по тестам SPECint95 и 9,9 — по SPECfр95. Сегодня Samsung Electronics выпускает «альфы» по технологии 0,35 мкм с частотой до 667 MHz, и их производительность является одной из наиболее высоких среди современных чипов.

Alpha 21164 — это процессор с суперскалярной архитектурой, способный обрабатывать до четырех инструкций за цикл. Он объединяет в себе кэш данных и кэш команд первого уровня, а также высокопроизводительную и объемную кэш-память второго уровня. Микропроцессор 21164 использует скоростной 128-битовый интерфейс для доступа к памяти, а также имеет возможность подключения кэша третьего уровня.

Alpha 21164 состоит из пяти независимых функциональных блоков:

• блок выборки, декодирования инструкций и предсказания ветвлений;

• блок обработки целочисленных данных;

• блок управления памятью;

• блок шинного интерфейса и управления кэш-памятью;

• блок обработки данных с плавающей запятой.

На кристалле находятся три блока кэш-памяти: команд, данных и второго уровня. При частоте 366 MHz DEC Alpha 21164 потребляет мощность 28 Вт, вариант от Samsung с частотой 667 MHz — 54 Вт.

Для того чтобы расширить свое влияние, фирма DEC совместно с Mitsubishi Electronics разработала новую модификацию микропроцессора Alpha ~ 21164РС. Он спроектирован для приложений Windows NT как альтернатива высокопроизводительным PC. Это первый чип, который содержит набор инструкций Digital Semiconductor MVI (Motion Video Instructions). DEC Alpha 21164PC базируется на архитектуре Alpha 21164 и ориентирован на работу с мультимедиа-приложениями и обработку 30-графики. При частоте 400 MHz он потребляет 23 Вт.

Главное, чем отличается DEC Alpha 21164РС от Alpha 21164, — это отсутствие внутреннего кэша L2, и, таким образом, внешний кэш становится не L3, a L2. Еще одной особенностью, как отмечалось выше, является использование инструкций MVI. Есть также и другие отличия, унаследованные от упомянутого выше семейства 2106х. Кроме того, PC-семейство Alpha смещает нижнюю «планку» ценового диапазона 64-битовых систем в весьма привлекательную для любого производителя область массовых настольных компьютеров.

Процессор 21264 имеет ряд заметных усовершенствований по сравнению с моделью 21164, которые делают его вдвое производительней своего предшественника при эквивалентной тактовой частоте.

Alpha 21264 — это очень мощный 64-битовый микропроцессор с шестиконвейерной суперскалярной архитектурой. Он обладает значительно большей кэш-памятью L1, которая, как и в предыдущей модели, встроена в чип. Процессор содержит 6 конвейеров для обработки данных и поддерживает 256-битовый интерфейс с памятью, что дает ему возможность осуществлять выборку до четырех команд за один такт. Модель 21264 обладает усовершенствованными средствами предсказания ветвлений (вероятность правильного предсказания 95%), а также свойством Out-of-Order. Эта особенность предполагает способность процессора выполнять команды вне их очередности, что иногда может значительно увеличивать быстродействие. Alpha 21264 использует 160 целочисленных регистров и 72 — плавающей точки и способен одновременно работать с 80 командами, чего пока не может делать ни один другой процессор.

Достаточно интересно в новом микропроцессоре Alpha реализован блок работы с целочисленными данными. Он обладает дополнительными возможностями обработки динамичных изображений (MPEG) — набором инструкций MVI, который впервые был воплощен в 21164РС. Это позволяет процессору 21264 в реальном времени декодировать MPEG-2 без внешних специализированных устройств. По заявлениям фирмы DEC, с помощью такого микропроцессора можно не только декодировать, но и кодировать MPEG-2 в режиме реального времени, что представляет собой более сложную задачу.

Существенному повышению производительности 21264, несомненно, способствуют также многочисленные усовершенствования кэш-памяти и внутренней шины процессора. Отказ от кэш-памяти третьего уровня при увеличении L1- и 12-кэша, соответственно упростив логику процессора, совершенно не сказался на производительности — высокая пропускная способность системной шины обеспечивает достаточную скорость обмена командами и данными. Кэш L2 вынесен за пределы кристалла, что позволило значительно увеличить его объем. Доступ к нему обеспечивается через специализированную 128-битовую шину. Пока что 1_2-кэш производится на основе модулей памяти SRAM с частотой 200 MHz, что обеспечивает пропускную способность 3,2 GBps. С целью увеличения производительности в ближайшем будущем для кэш-памяти будут использоваться микросхемы Dual Data Rate SRAM с частотой 133 MHz, что позволит получить скорость обмена с кэшем 5,3 GBps, а чуть позже при использовании микросхем с частотой 250 MHz — 8 Gbps.

Системная шина Alpha 21264 работает на частоте 333 MHz при разрядности 64 бита (эту шину под кодовым названием EV-6 лицензировала фирма AMD для своего процессора К7).

На сегодняшний день большинство систем на процессорах Alpha основаны на чипсете 21272. Возможности этого чипсета обеспечивают создание достаточно мощных вычислительных машин общего назначения: ф до двух микропроцессоров Alpha 21264; ф до двух 64-битовых разъемов PCI (33 MHz); ф до двух 256-битовых шинных интерфейсов оперативной памяти с пропускной способностью по 2,6 GBps, работающих на частоте 83 MHz.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365