`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

x86 — у последней черты

+33
голоса

В рамках публикации архивных материалов предлагаем вашему вниманию статью из №34 (253) «Компьютерного Обозрения» от 30 августа 2000 г. В ней речь идет о знаковом процессоре AMD Hammer и не только о нем.

История развития семейства Intel х86 является лучшим подтверждением успехов современных технологий проектирования процессоров. Обоснованно критикуемая, обладающая рядом неоспоримых архитектурных недостатков х86 стала самой массовой, совершенствуемой и доступной. И при этом — далеко не худшей по показателям. Экстенсивное повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты до нижней границы СВЧ-диапазона свидетельствует об исключительно удачной топологии современных х86 и высочайшем качестве схем синхронизации — как ни странно, но в перечне целей разработчиков канонических RISC-процессоров эти задачи занимали первые места. В подтверждение всему вышесказанному — до сих пор, увы, ни один из декларируемых каноническими RISC-процессоров не «взял» гигагерцевой планки.

Но «сколь веревочке не виться», переход на качественно новый уровень неизбежен. Пользователи компьютеров ненасытны — их аппетиты растут в точном соответствии с партитурой Листа: «Быстро. Еще быстрее. Быстро как только возможно». И, похоже. что даже работающие на частотах радиолокационных станций 32-битовые процессоры ограничены верхними уровнями требования «...Еще быстрее...». Для огромного класса задач этой производительности более чем достаточно, но коммерчески успешное применение программных технологий из специализированных секторов ПО (в первую очередь — CAD и визуализации данных) в обычных «настольных» и развлекательных приложениях вносит существенные коррективы в планы «расширения разрядности». А именно, если еще недавно от будущих 64-битовых последователей х86 не ожидали никаких потрясений на массовом рынке ПК (даже высокого уровня) и подчеркивали нацеленность этих процессоров исключительно на применение в серверном секторе, то после обнародования компанией AMD спецификаций на архитектуру х86-64 все полностью меняется.

В «генеральном сражении» ближайшего времени на карту будут поставлены не только (и даже не столько) преимущество на рынке серверов, но и «полная, окончательная победа» в войне за «десктоп».

ИСТОРИЯ И ДОНАЛЬД КНУТ

Как это ни странно может звучать, но автор великих книг, без тени сомнения заслуживающих титула «Компьютерной Библии» (речь, естественно, идет об «Искусстве программирования»), в контексте описания «реинкарнации» архитектуры х86 может оказать весьма ощутимую помощь. В ожидающейся со дня на день новой редакции «Искусства программирования» реализации всех алгоритмов будут иллюстрироваться программами для новой «самой виртуальной» машины под названием MMIX 2009. Как и архитектура MIX, использовавшаяся в прежних изданиях, MMIX представляет собой квинтэссенцию всего лучшего, что есть в мире CPU в настоящее время, и, естественно, отражает скрытые тенденции в развитии процессорных архитектур. Сам Д. Кнут в присущей ему ироничной манере так характеризует название нового «процессора»: «...номер 2009 был найден на основе имен 14 существующих компьютеров, очень похожих на MMIX, на которых MMIX может быть легко имитирован». Полный перечень имен этих «основоположников» состоит исключительно из канонических (или объявленных их производителями каноническими) RISC-машин: Cray I, IBM 801, RISC 801, Clipper C300, AMD 29K, Motorola 88K, IBM601. Intel i960, Alpha 21164, POWER 2, MIPS R4000, Hitachi SuperH4, StrongARM110, SPARC64.

Судьба у этих процессоров и компьютеров разная — некоторые из них уже стали прошлым (AMD 29К, например), некоторые мигрировали из класса «мощных RISC-процессоров для универсальных компьютеров» в класс «встраиваемых устройств» (R4000, SuperH, i960), два заняли прочные позиции «высокопроизводительных CPU для мощных рабочих станций и серверов» (Alpha и SPARC). Наконец, одному из них (StrongARM) еще предстоит сказать свое слово.

Д. Кнут проделал немалую работу по формированию абстракции, объединяющей в себе лучшие черты всех этих машин. В результате MMIX 2009, с точки зрения программиста (согласитесь, это самый важный персонаж — ведь сколь бы ни был хорош процессор «сам по себе», без программ его полезность равна нулю), выглядит весьма просто — он содержит 256 64-битовых регистров общего назначения и 32 специальных регистра той же разрядности. Система команд MMIX весьма проста, она содержит 256 инструкций, большинство из которых — трехоперандные (например, команду ADD $R5,$R124,$R63 на «человеческом» языке можно передать фразой «записать в регистр R5 результат сложения содержимого регистров R124 и R63).

Более подробно знакомиться с MMIX нам не понадобится (в конце концов, новое издание «Искусства программирования» совсем скоро появится и у нас, а самые нетерпеливые могут загрузить с сайта Д. Кнута небольшой файл с описанием MMIX www-cs-faculty.stanford.edu/-knuth/fasd.ps.gz). Зато общие характеристики этого «абстрактного процессора» и особенности его названия еще пригодятся.

В отличие от своих коллег из Intel конструкторы AMD не решились на «настоящую революцию». Несмотря на это будущий 64-битовый процессор AMD на фоне последних событий выглядит очень перспективно, а подход самой компании AMD можно назвать «осторожно-продуманным».

В реальном мире х86, увы, архитектуры не блещут красотой и простотой MMIX. Родоначальник всего семейства, ставший уже раритетом процессор i8080, содержал семь 8-битовых регистров общего назначения А, В, С, D, Е, Н, L (шесть из них в некоторых 16-битовых командах использовались как регистровые пары ВС, DE, HL), указатель стека (SP) и счетчик команд (PC). Следует отметить, что i8080 представлял собой дополненный аппаратной реализацией стека первый 8-битовый процессор Intel — i8080. На следующем шаге — i8086/i8080, с которых началось победное шествие IBM PC, девять 8-битовых регистров i8080 трансформировались в тринадцать 16-битовых (имена некоторых из них стоит привести без дополнительных комментариев — в дальнейшем они еще не раз встретятся: АХ, ВХ, СХ, DX, SP, BP, SI, DI). После i8086 началась «эпоха х86» — в обозначениях процессоров появилась дополнительная цифра. «Первенец» х86 — i80186 в мире ПК не прижился, его последователь i80286 также быстро ушел со сцены. Зато третий в поколении «шестой ребенок» (с учетом i8080) i80386 стал праотцом практически всего, что сегодня емко называется «ПК IBM PC-архитектуры». Следующие поколения (486, 586, условно — 686) фактически не коснулись «святая святых» — базового регистрового набора и базовой системы команд, что обеспечивает бинарную совместимость «снизу вверх». И вот, наконец, финал — Intel решилась отвергнуть бинарную совместимость в пользу роста производительности. Все еще ожидаемые IA64 (Merced) -это уже процессоры из совсем другого мира.

«БАРХАТНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ»

В отличие от своих коллег из Intel конструкторы AMD не решились на «настоящую революцию». Несмотря на это будущий 64-битовый процессор AMD на фоне последних событий выглядит очень перспективно, а подход самой компании AMD можно назвать «осторожно-продуманным».

Эти неочевидные, на первый взгляд, утверждения можно достаточно обоснованно мотивировать, следует только вспомнить недавнюю историю процессоров компании Transmeta. У будущей IA64 и уже существующих чипов от Transmeta действительно очень много общего — обе архитектуры основаны на идеях VLIW (процессоры с «очень большой» разрядностью команды) и RISC (в части фиксации длины «подкоманды»). VLIW позволяет за одно обращение к памяти получить «упакованные» в одно метакомандное слово несколько RISC-лподкоманд" фиксированной длины (в Intel не любят эти «подкоманды» называть RISC-подобными и придерживаются иной терминологии — EPIC, Explicitly Parallel Instruction Computing), которые можно эффективно выполнить за один такт «в параллель». Идея, без сомнения, красивая и, на первый взгляд, обеспечивающая очень высокую производительность. Однако и у нее есть свои изъяны.

Так, если от подобных «параллельных микровычислителей» потребуется имитация набора команд другого процессора, то следует ждать неприятностей. И совершенно безразлично, с помощью какой высокоуровневой технологии будет осуществляться трансформация чуждой системы команд в наборы EPIC/RISC «подкоманд» — статической или динамической компиляции. Важно другое — деградации производительности по сравнению с «родной» платформой не избежать. По крайней мере, неудача (мягко говоря) Crusoe — VLIW-процессора от Transmeta полностью подтверждает это опасение. Кроме того, сложность высокоуровневых программных технологий, с помощью которых осуществляется трансформация одной системы команд в другую, очень высока. Речь идет не столько о сложности реализации, сколько о слабой изученности теоретических предпосылок и необходимости применения методов оптимизации для параллельных вычислений. Полные пессимисты утверждают, что пока не существует математического аппарата, с помощью которого можно доказать оптимальность трансформации хотя бы фрагмента кода, очень дорогостоящее и сложное аппаратное обеспечение VLIW-систем будет использоваться неоптимально.

Оптимисты, в свою очередь, утверждают, что все рассуждения о недостатках VLIW лишены оснований по причине абсолютно неправильно выбранной отправной точки. А именно, необходимости в исполнении бинарных приложений, транслированных в «неродную» систему команд. С этой точки зрения все современные приложения (включая системное ПО) написаны на языках программирования высокого уровня, и для переноса их на другую платформу необходимы только соответствующие инструментальные средства. Обе точки зрения во многом правильны, но... существует еще и суровая реальность. Современное программное обеспечение действительно разрабатывается на языках программирования высокого уровня, но насколько этот уровень высок? Самые популярные на сегодняшний день языки С и C++, например, при традиционном подходе к разработке фактически не позволяют описывать платформенно-независимые встроенные типы данных (хотя бы целые числа). В реальных (т.е. достаточно больших) программных проектах это может означать, что для переноса методом перекомпиляции ПО с 32-битовой аппаратной платформы на 64-битовую могут возникать (и в действительности возникают) чуть ли не непреодолимые проблемы. Ситуация обостряется и за счет постоянно используемых «трюковых» приемов при прикладном программировании, которыми грешат даже очень крупные проекты: когда разработчик стремится к коммерческому успеху своей программной системы, он добивается, например, высокой производительности за счет аппаратно-программных особенностей конкретных компьютеров текущего поколения. Ругать программные компании за это нельзя — «трюковое» программирование является просто следствием упомянутого в начале статьи непомерного роста «аппетита». Ну и, наконец, системное программирование вообще невозможно без машинно-зависимых деталей реализации. Даже если учесть эти три фактора, трудно слишком оптимистично утверждать, что для миграции на новые VLIW-платформы достаточно только процесса перекомпиляции в новую систему команд.

Теперь пора кратко охарактеризовать «бархатно-революционную» архитектуру AMD х86-64. Во-первых, это 64-битовая архитектура. Во-вторых, она же еще и 32-битовая. В-третьих, она же — 16-битовая. В-четвертых, 32- и 16-битовые архитектуры полностью идентичны классическим х86. В-пятых, идентичность здесь подразумевает способность аппаратно выполнять программы для всех архитектур без всякой трансформации кода, динамической компиляции и прочих VLIW-ухищрений. В-шестых, самая мощная, 64-битовая, архитектура достаточно традиционна и не требует излишних сложностей реализации компиляторов с традиционных же языков программирования. В-седьмых, разработчиками предусмотрен режим работы новых процессоров, который можно назвать «мирным сосуществованием архитектур»: так, под управлением 64-битовой операционной системы могут без перекомпиляции выполняться бинарные приложения для 32-битовой (или 16-битовой) х86.

После такой положительной характеристики, несомненно, следует вспомнить прозвучавшее в начале статьи утверждение о смещении области интересов будущих производителей 64-битовых процессоров в сторону настольных систем. Мы уже располагаем минимальным перечнем сведений, позволяющих это утверждение обосновать. Элементарная логика подсказывает, что число серверных приложений действительно намного меньше по сравнению с «настольными», и в предварительной документации на х86-64 подчеркивается, что вследствие их происхождения из мира «mission-critical» (которому свойственна более высокая культура проектирования ПО) они не слишком сильно зависят от платформы. Так что производителей серверного ПО не пугает необходимость перекомпиляции. Но и не прельщает перспектива потери производительности из-за VLIW-эмуляции системы команд. С другой стороны, разработчики больших «настольных» программных систем действительно не заинтересованы «ударными темпами» переносить свои программы на VLIW (как уже говорилось, в некоторых случаях это может быть просто неосуществимо). Получается, что архитектура х86-64 на самом деле больше ориентирована на высокопроизводительные рабочие станции, чем на серверы. И в этом случае AMD получает «дополнительные баллы» — уже совершенно не важно, будет ли IA64 «мощнее» х86-64 при работе в «родных» системах команд или нет. По крайней мере, на колоссальном множестве уже существующих и неплохих приложений х86-64 точно будет дешевле и, вероятнее всего, производительнее А что самое главное, — привлекательнее для разработчиков прикладных и системных программ.

«КУВАЛДА»

Несмотря на то что в распространяемой самой компанией AMD предварительной документации на х86-64 подчеркивается, что будущие процессоры этой — архитектуры являются «расширением 32-битовой х86». Hammer (лучший русский эквивалент — «кувалда») представляет собой очень похожий на... MMIX-процессор. Правда, регистров общего назначения у него не 256 (вероятнее всего, что 64-битовые чис-лодробилки с таким количеством регистров появятся значительно позже, приблизительно в 2009 г., в полном соответствии с шутливым названием Д. Кнута), а «всего лишь» шестнадцать. И в отличие от MMIX эти регистры могут использоваться только в целочисленных операциях. Для операций с плавающей точкой (и для совместимости с х86) предусмотрены еще восемь 64-битовых регистров. Дополняют картину устрашающей мощи «кувалды» шестнадцать 128-битовых регистров, предназначенных для хранения операндов команд SIMD-расширения (Single Instruction Multiple Data — группа данных, обрабатываемых одной командой). Описание архитектуры предусматривает 64-битовую адресацию линейного виртуального адресного пространства, приблизительно в 4 млрд, раз большего, чем у 32-битовых процессоров.

«А где же совместимость с х86?» — спросите вы. Действительно, такая интерпретация описания х86-64 как бы подчеркивает, что на регистровом уровне ничего общего у классических х86 и «кувалды» нет. Но не все так просто. Регистры общего назначения R0-R7 в х86-64 «прячут» в своих младших битах... полные эквиваленты классического регистрового набора 80×86 Так, битовое поле 0...7 регистра R0 фактически эквивалентно регистру А (аккумулятору) ушедшего в прошлое процессора 18О8О и регистру AL i8086. Соответственно битовое поле 8...15 регистра R0 является эквивалентом регистра АН 18О86 (и «теневого» программно-недоступного второго аккумулятора i8080). Объединение этих
двух полей — точный эквивалент регистра АХ i8086. Ну и, наконец, битовое поле 0...31 того же R0 «кувалды» — полный эквивалент регистра ЕАХ 32-битовых 80×86. Для более подчеркнутой х86-совместимости первые восемь регистров «кувалды» даже обозначаются не принятыми в подобных случаях мнемониками (R0...R7), а названиями, отражающими х86-происхождение: RAX, RBX, RCX, RDX, RSP, RBP, RSI, RDI. Каждый из них содержит в битовых полях 0...7, 8...15, 0...15, 0...31 полную историю всех поколений архитектуры х86.

Но регистровая совместимость — это еще не все. Естественно, что разработчики «кувалды» воспользовались самым очевидным и беспроигрышным приемом — они реализовали систему команд х86, использующую битовые поля RAX-RDI в качестве «родных» х86 регистров, и распространили действие почти всех команд на 64-битовые регистры. Прием этот замечателен тем, что сохранение, скажем так, концептуальной модели х86 на 64-битовом уровне позволяет очень быстро разработать компиляторы с языков высокого уровня — многие приемы генерации кода, отработанные на 80×86, применимы и для х86-64.

И наконец, о главном — в работе «кувалды» предусматривается так называемый «большой совместимый режим» (long/compatibilrty mode), при котором под управлением 64-битовой операционной системы можно, например, запускать исполняемые файлы х86 без всякой перекомпиляции.

СУБЪЕКТИВНОЕ

Если во всем предыдущем материале автор старательно избегал высказывания собственных соображений по поводу перспективности и применимости х86-64 и пытался тщательно мотивировать каждое кажущееся спорным утверждение, то настало время для вещей субъективных.

Hammer действительно хорош. С точки зрения разработчиков системного ПО, наследование архитектурных особенностей х86 означает лег-_ кость применения «обкатанных» на «классических» 80×86 решений. С точки зрения разработчиков прикладного ПО, этот процессор позволяет в период «буферных продаж» уже отработанных 32-битовых программ спокойно и без гонки перейти на перспективные 64 бита. С точки зрения разработчиков персональных компьютеров, только два предыдущих соображения выводят «кувалду» в фавориты. И наконец, с точки зрения пользователей (с учетом предыдущих точек зрения). Hammer также выглядит исключительно выгодным приобретением. Единственное «но», способное разрушить всю эту идиллическую картину, — производственные возможности AMD: 64-битовый «монстр» — это не игрушка.

Если же попытаться совсем абстрагироваться от приземленных проблем, то «кувалда» исключительно хороша тем, что х86-64 — это уже не совсем х86 (или даже совсем не х86). А значит, следует ожидать и роста интереса к новым операционным системам, хорошо соответствующим возможностям процессоров с большой разрядностью (так называемые ОС с единым адресным пространством — single address space), и расширения возможностей уже хорошо зарекомендовавших себя ОС.


Все про современные облачные технологии!
Онлайн-конференция Google Cloud Next 20’ OnAir — старт 29 сентября!

+33
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Ой-вей, абажди автор, не спеши... за 6 лет управятся!
Настанет год 2006 и выйдут Атлоны х64 с двумя ядрами, с ДДР2й памятью, с 4 гигами той самой ДДР2 и понесется тачанка дальше, по дороге будут отпадать и увядать и PowerPC, Sparc, MIPS, такое буде эге-ге-ге-ге!

=========
В отличие от своих коллег из Intel конструкторы AMD не решились на «настоящую революцию». Несмотря на это будущий 64-битовый процессор AMD на фоне последних событий выглядит очень перспективно, а подход самой компании AMD можно назвать «осторожно-продуманным».

Да, всё будет Линукс!!!! Даже Фря загнется, как универсальная ОС для широкого спектра железа.

=============

. А значит, следует ожидать и роста интереса к новым операционным системам, хорошо соответствующим возможностям процессоров с большой разрядностью (так называемые ОС с единым адресным пространством — single address space), и расширения возможностей уже хорошо зарекомендовавших себя ОС.

Што? (С) %-))))) Ыыыыыыыы, этот тормоз-монстр уже странички не рендерит, у нас тут Вэб2.0!!!! Андрей, вставай, мы тут всё поломали!!! Теперь для просмотра смешариков на сайтике нужно 4 ядра этих самых АМД х86_64, только выпуска 2010 года...

======
Единственное «но», способное разрушить всю эту идиллическую картину, — производственные возможности AMD: 64-битовый «монстр» — это не игрушка.

Впрочем автор и сам убедился, ровно через 3 года, когда вышли первые версии Атлонов64. Разница была еще долго на стороне Пней4...

До Cоre2 Duo еще очень много лет...

https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_Core_2

А не, ошибся, +1 пятилетка.
Это мгновение, на фоне 7летней международной озабоченности.

Переломным моментом стали именно процессоры на быстрой ДДР2 памяти, которые протянули очень долго. Те же 6 лет от 2006 года и собственно стали вытягивать весь этот наш Вэб2.0 2006-2012 годов. Когда гигабайты ОЗУ стали доступными всем желающим, а не только счастливым обладателям SGI/SUN станций

 

Slack подает жалобу на Microsoft и требует антимонопольного расследования от ЕС

 
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT