Как начинался компьютер
Компьютерная революция
Двоичный код
Разработки военных лет
Интегральные микросхемы
Микрокомпьютер
Персоны
Сеть
Язык компьютера
Развитие ПО
Гибкие системы
Средства разработки
Информатика
Вычислительная наука
Операционные системы
Искусственный интеллект
Предыстория
Поиск
Знания и рассуждения
Логика
Робототехника
 

 
Начало эры 64 Печать

Стремительное развитие полупроводниковых и компьютерных технологий обеспечило быструю эволюцию архитектуры процессоров. В результате стало возможным расширение функциональных возможностей 32-разрядных процессоров, получивших специальные режимы выполнения 64-разрядных приложений.

В основе современного этапа развития цивилизации лежит эффективная обработка информации, осуществляемая компьютерными системами. Центральными элементами этих систем являются высокопроизводительные процессоры, которые в короткий срок прошли несколько этапов  своей эволюции. Каждый из этих исторических этапов характеризуется рядом особенностей. Среди них не только частотные и архитектурные параметры электронных элементов, но и особенности решаемых задач, сложность и разнообразность которых постоянно возрастают, также как и объемы обрабатываемой информации.

Для эффективной работы с большими объемами цифровых данных необходимы устройства, построенные по новым архитектурным принципам. Действительно, все более широкое распространение компьютерных технологий порождает огромное количество новых цифровых данных, требующих своевременного преобразования и потребления.

Для эффективной обработки огромных потоков информации, среди которй значительую долю составляют мультимедийные файлы, конвергентная компьютерно-коммуникационная отрасль должна существенно переработать свои аппаратные средства и приложения. При этом потенциал роста функциональных возможностей и производительности в будущем будет обеспечиваться не только повышением тактовой частоты, задающей темп работы полупроводниковых элементов, но и внедрением перспективных архитектурных инноваций.

Однако будущее компьютерной техники в значительной степени определяется работами,  интенсивно проводимыми в лабораториях и на производстве в настоящее время. Основным же объектом внимания ученых и инженеров, как и ранее, остаются  процессоры, важнейшим из параметров которых является производительность, зависящая от технологии, микроархитектуры и тактовой частоты.

Производительность процессоров

Производительность процессоров определяется следующими соотношениями:

Производительность процессора = Команды / Время,

Команды / Секунды = (Команды / Такты) х (Такты / секунды),

Параметр Команды/Такты означает количество выполняемых инструкций за такт — IPC (Instructions per Cycle), а Такты/секунды – это тактовая частота, на которой работает ядро процессора.

Величина IPC является функцией архитектуры процессора и используемого технологического процесса, что записывается с помощью следующего выражения: IPC = f(архитектура, тех. процесс). При этом тактовая частота F, задающая тем работы процессорного ядра является функцией, как технологического процесса, так и конструктивных особенностей используемых в конструкции процессоров цепей, то есть F = f(тех. процесс, цепи).

От 32 к 64

Итак, основываясь на приведенных выше соотношениях, производительность процессора определяется двумя параметрами, один из которых количество инструкций, выполняемых за такт, — IPC, другой — тактовая частота — F.

Если в отмеченных функциональных соотношениях оставить в стороне вопросы технологии и особенности реализации внутренних электронных цепей ядра процессора, то остается зависимость производительности процессора от его архитектурных решений. В эти решения, определяющие параметр IPC, входят многие особенности архитектуры, в частности, разрядность обрабатываемых элементов.

Очевидно, что, чем больше разрядов, отводимых на команды и данные, тем меньше потребуется команд, выполняемых за такт, для решения поставленных задач. Действительно, очевидно, что для выполнения расчетов, требующих высокой точности, в случае процессоров высокой разрядности необходимо меньше машинных слов для размещения операндов и команд, чем в случае малоразрядных элементов.

Это можно было наблюдать при переходе от 4-разрядных процессоров к 8-разрядным, далее — к 16 и, наконец, к 32-разрядным моделям. Остается добавить, что именно 32-разрядные процессоры являются доминирующим.

Несмотря на распространенность данных высокопроизводительных моделей, необходимо  отметить, что на рынке уже ряд лет присутствуют и более сложные решения, ориентированные на данные удвоенной длины. Но разработанные 64-разрядные процессоры до недавнего времени предназначались исключительно для рынка серверных решений. Из-за высокой стоимости технологических процессов, используемых в производстве таких изделий, а также их чрезвычайно сложной внутренней структуры, 64-разрядные серверные процессоры отличаются сравнительно высоким уровнем цен. Этот уровень значительно выше того, что установлен для настольных моделей.

Кроме того, существующие модели, рассчитанные под данные, длиной в 64 бит, требуют либо разработки программного обеспечения, специально созданного под конкретные архитектуры, либо перекомпиляцию существующих приложений. Остается добавить, что необходимо и соответствующее аппаратное обеспечение. Все это создает определенные трудности по внедрению перспективных многоразрядных процессорных архитектур.

Однако благодаря стремительному совершенствованию полупроводниковых технологий и внедрению многочисленных архитектурных решений для процессоров происходит не только снижение себестоимости ранее разработанных моделей, но и становится возможным реализовывать все более сложные замыслы разработчиков.  Среди этих замыслов есть планы разработки и выпуска для рынка настольных компьютеров высокопроизводительных процессоров большей, чем традиционные 32 бит, разрядности. Это становится все более актуальным, поскольку объективным причинам наращивание частотного потенциала дается все труднее из-за роста токов утечки и соответствующего увеличения теплообразования .

AMD х86-64

Компания AMD была первой, кто сумел реализовать возможности современных полупроводниковых технологий для выпуска массовых процессоров для сектора настольных компьютеров.

Как развитие архитектуры 32-разрядных процессоров AMD Athlon, разработчиками данной компании были созданы процессоры, поддерживающие 64-разрядные вычисления. Данная архитектура получила наименование AMD64. В качестве прототипа новой разработки компании AMD была выбрана архитектура процессоров AMD Athlon XP.

Впервые нововведения перспективной архитектуры, обеспечивающей поддержку 64-разрядных вычислений, были опробованы в серверных решениях. Соответствующие процессоры получили наименование AMD Opteron и были благосклонно приняты компьютерным рынком. Более того, ряд известных производителей объявили системы, основонных на данных процессорах.

Однако наибольшую известность получили модели с архитектурой AMD64 в секторе настольных компьютеров. Эти модели получили наименование AMD Athlon 64. В качестве осгновы разработки этих процессоров послужили серверные AMD Opteron.

Основное отличие новых настольных процессоров от предыдущих AMD Athlon XP заключается в поддержке не только 32-разрядного, но и 64-битного кода при сохранении полной совместимости с существующими программными приложениями. Это дает возможность осуществить плавный переход от 32-х к 64-разрядному программному обеспечению, а также обеспечить совместимость со следующим поколением Microsoft Windows XP для 64-разрядной платформ.

Оценивая же прикладную полезность новой архитектуры, здесь, следует отметить, что аппаратная реализация 64-разрядных команд позволяет увеличить производительность при обработке данных соответствующей длины. Кроме того, использование 64-разрядных режимов обеспечивает расширение адресного пространства.

Однако необходимо отметить, что для использования потенциала расширенной архитектуры требуется соответствующее программное обеспечение, обеспечивающее поддержку 64-разрядных режимов. В противном случае аппаратные расширения не могут быть использованы.

Для реализации возможностей архитектуры, ориентированной на 64-разрядные вычисления,  разработчики AMD удвоили количество регистров общего назначения и увеличили их разрядность до 64 бит.

Кроме того, в числе принципиальных усовершенствований архитектуры процессоров AMD Athlon 64 следует отметить:

  • Интегрированный контроллер памяти, ранее присутствующий исключительно в микросхемах North Bridge наборов микросхем системной логики;
  • Шина Hyper-Transport для связи с чипсетом, увеличивающая пропускную способность и сокращающая задержки в передаче данных;
  • Удлиненные до 12 ступеней конвейер целочисленных вычислений и до 17 ступеней конвейер вещественных вычислений, что предоставляет возможность увеличить тактовые частоты;
  • Увеличенный объем кэш-памяти второго уровня;
  • Поддержку набора инструкций SSE2;
  • Поддержку технологии технология Cool-n-Quiet, обеспечивающей энергосбережение и уменьшение тепловыделения;
  • Усовершенствованную защиту от вирусов (блокирование переполнения буфера);
  • Эффективное выполнение 32-разрядных приложений.

Intel EM64T

Существующую тенденцию перехода к разработке и выпуску процессоров гибридной архитектуры поддержала корпорация Intel. Об этом впервые объявил весной этого года на Форуме IDF в Сан-Франциско Крейга Барретт, главный исполнительный директор корпорации Intel (Craig Barrett, Chief Executive Officer). Эта тема была продолжена и на других сессиях Форума.

Анонс на IDF Spring 2004

В числе многочисленных перспективных разработок корпорации CEO Intel отметил планируемую поддержку 64-битных инструкций 32-разрядными процессорами. Эта архитектура, первоначально названная как IA32e, получила в дальнейшем наименование технология EMT64T (Extended Memory 64 Technology).

Говоря относительно этой новой для процессоров от Intel архитектуры, Крейг Барретт подчеркнул, что на первоначальном этапе речь идет только о рынке серверов и мощных рабочих станций. Технология поддержки 64-разрядных вычислений, расширяющих возможности архитектуры IA32, для указанного сектора будет реализована уже в 2004 году. Объектом приложения станут следующие поколения серверных процессоров Intel Xeon. В дальнейшем же по мере расширения рынка программного обеспечения, ориентированного на 64-разрядные вычисления и представленного соответствующими вариантами операционных систем и приложений, данная поддержка появится и в процессорах компьютеров настольного уровня, среди которых 32-разрядные процессоры являются доминирующими.

Необходимо отметить, что и Крейг Барретт, и последующие докладчики, и специалисты, участвующие в многочисленных открытых столах, многократно подчеркивали, что архитектура IA32e, предусматривающая реализацию 64-разрядных команд, не является копированием уже существующих архитектур AMD. Более того, неоднократно подчеркивалось, что сама система команд, получившая наименование x86-64, не является собственностью фирмы-конкурента. Кроме того, архитектуры процессоров, представленных обоими крупнейшими производителями этого класса полупроводниковых элементов, являются разными и имеют свои специфические особенности реализации. Эти особенности найдут соответствующее воплощение и в 32-х, и в 64-разрядных наборах команд. Примерно так, как это было сделано в MMX, SSE, SSE2, SSE3, и т. п. Однако во многих командах совместимость будет присутствовать.

Тем не менее, будут, бессомнения, и отличия. Отличия в изделиях от Intel и AMD будут связаны в основном с разными архитектурами, разными подходами к проектированию процессоров, разными применяемыми в производстве полупроводниковыми технологиями. В качестве примеров уникальных особенностей можно привести развиваемую технологию Hyper-Threading (HT), а также используемый набор команд SSE3, реализованные в продукции Intel и отсутствующие пока у конкурента даже в качестве аналогов. А в ближайшее время будут реализованы и другие инновации, те же технологии LaGrande, Vanderpool и, например, Foxton. В то же время в процессорах AMD используются ряд собственных уникальных разработок, например, 3DNow!, не имеющие аналогов в изделиях Intel.

Тем не менее, несмотря на возможные отличия в реализации технологий 64-разрядных вычислений, осуществляемых на базе 32-битных процессоров, выступивший от Microsoft Стив Балмер рассказал о том, что готова бета-версия соответствующей операционной системы, поддерживающей 64-разрядные расширения команд. Он отметил, что, по мнению специалистов Microsoft, реализация новых команд позволит повысить производительность и точность некоторых вычислений.

Эту тему продолжил в своем докладе на том же Форуме IDF Майкл Фистер, старший вице-президент и генеральный менеджер подразделения Intel Enterprise Platforms Group (Michael Fister, Senior Vice President General Manager, Enterprise Platforms Group).