Начало эры 64

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).