Знакомьтесь, информационные технологии

Указанные в табл. 2.2 данные не дают полной характеристики того или иного типа процессоров. Нельзя считать, что 500-мегагерцовый Pentium III только в 50 раз производительней, чем i286. Реальная производительность Pentium III в несколько сотен или даже тысяч раз выше. Это связано, кроме частоты, с более длинными обрабатываемыми за один такт словами (4 байта вместо 2), возможностью проведения нескольких операций за один такт (у 286 одна команда обрабатывалась несколько тактов). Так, наличие ММХ обеспечило проведение за один такт сложения четырех коротких слов.

Архитектура Pentium (архитектура IA32 – Intel Architecture, 32-разрядная) впервые появилась в марте 1993 года. Набор команд не менялся со времен i386 [34] . Потом появился Pentium ММХ, в котором был реализован набор из 57 команд ММХ: процессор теперь мог обрабатывать множественные данные в одной инструкции (Single Instruction Multiple Data – SIMD). В Pentium II (май 1997 года) добавлен блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширяющий набор команд ММХ. Pentium III получил интегрированную на кристалле кэш-память объемом 256 Кбайт. Pentium 4 выпускается с осени 2000 года. В архитектуру введен ряд усовершенствований, направленных на увеличение тактовой частоты и производительности, а также новый набор инструкций SSE2. 27 августа 2001 года объявлен вариант процессора, работающего на частоте 2 ГГц. Полутора годами раньше вышел Pentium III 1 ГГц. Удвоение частоты работы процессора за полтора года – яркое подтверждение закона Мура. Кроме процессора Pentium (на том же ядре), фирма Intel выпускает еще два процессора. Celeron, с меньшей кэш-памятью (128 Кбайт) и меньшим быстродействием, предназначенный для более дешевых компьютеров. Хеоп ориентирован на серверы и способен работать в многопроцессорных конфигурациях. Кэш имеет объем до 2 Мбайт, что во многом определяет не только высокую производительность процессора, но и высокую стоимость. Всего компания Intel выпускает в год более 100 млн. процессоров, т. е. больше, чем все остальные процессорные фирмы все вместе взятые.

Компания AMD продала во II квартале 7,7 млн. своих процессоров, что составило 22,2 % рынка процессоров с архитектурой IA32. Компания является главным конкурентом Intel на этом рынке. В том же квартале Intel произвела 76,2 % процессоров IA32 (26,4 млн.).

Процессор Athlon – первый проект AMD, в котором она отошла от прямого копирования архитектур Intel и предложила рынку свой вариант платформы для PC. Процессор имеет кэшпамять объемом 128 Кбайт. Здесь реализован не только модуль ММХ, но и дополнительный набор инструкций 3DNow! который обеспечивает более эффективную обработку графической информации. Системная шина – EV-6, та же, что и в процессорах Alpha (см. далее), что дает возможность создавать платы, поддерживающие оба процессора. Более простой процессор фирмы AMD (Duron) ориентирован на сектор простых компьютеров. Duron – конкурент процессора Celeron.

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.