История разработки микропроцессоров и эволюции их характеристик

История микропроцессорной техники берет свое начало с выпуска в 1971 году корпорацией Intel первого в мире микропроцессора i4004. Этот микропроцессор был 4-разрядным и первоначально предназначался для использования в электронных калькуляторах. Уже через год Intel разработала 8-разрядный микропроцессор i8008, а еще через два года – i8080, на базе которого был собран первый коммерческий компьютер «персонального» Altair 8800.

В 1978 году появился 16-разрядный микропроцессор i8086, а через год вышла его более дешевая модификация i8088, имевшая 16-разрядные внутренние регистры, но 8-разрядную внешнюю шину данных. Это позволяло использовать совместно с i8088 недорогие 8-разрядные сопутствующие микросхемы, что и побудило корпорацию IBM выбрать i8088 в качестве процессора для своего знаменитого первого образца персонального компьютера IBM РС (IBM Personal Computer), который приобрел широкую популярность и быстрое распространение.

16-разрядные процессоры (далее для краткости будем употреблять термин «процессор» в общепринятом написании без приставки «микро», имея ее в виду) i8086 (i8088) заложили основы системы команд х86, базирующейся на CISC-архитектуре. Эта система команд стала стандартом де-факто на долгие годы.

Следующая модель от Intel – 16-разрядный i80286 (1982 г.) имел 16-разрядную внешнюю шину данных и 24 адресные линии, способные адресовать 16 Мбайт памяти (в отличие от 1 Мбайт адресного пространства у процессоров i8086 с 20-ю адресными линиями). В процессоре i80286 было впервые реализовано управление виртуальной памятью, организованной для обмена данными между оперативной памятью и внешними запоминающими устройствами.

Революционной разработкой Intel стал в 1985 году 32-разрядный процессор i80386. В основной модификации (i80386DX) этот процессор обладал 32-разрядной внешней шиной данных и 32 адресными линиями, обеспечивающими возможность адресации 4 Гбайт (2 в степени 32) памяти.

Для перечисленных выше моделей процессоров х86 корпорацией Intel были разработаны так называемые математические сопроцессоры (i8087, i80287, i80387). Математический сопроцессор представляет собой вычислительное устройство со своим набором регистров, архитектура которого оптимизирована под выполнение операций с плавающей точкой (причем не только сложения, вычитания, умножения и деления, но и более сложных операций, таких как вычисление логарифмов, тригонометрических функций и некоторых других). Сопроцессоры вплоть до модели i80387 не были интегрированы в ядро основного процессора и размещались отдельно от него, обеспечивая при этом совместную работу. Для работы нового исполнительного блока потребовалось расширение системы команд определенным набором инструкций. Этот блок получил название х87. Обработка инструкций х87 производилась следующим образом: их выборкой, декодированием и выдачей результатов занимался основной процессор, тогда как за исполнение инструкций отвечал сопроцессор, который подключался по мере необходимости. При этом в целях совместимости сохранялась возможность выполнения операций с плавающей точкой на АЛУ основного процессора. Но в этом случае проигрыш в производительности был весьма ощутим.

В сопроцессоре i80387 по сравнению с i8087 и i80287 был значительно расширен набор выполняемых инструкций и ускорено выполнение существующих. Например, если i8087 и i80287 из тригонометрических функций поддерживали лишь тангенс, а все остальные функции вычислялись только через тангенс половинного аргумента, то i80387 уже мог одной инструкцией вычислять синус и косинус.

Для компьютеров на базе i8086 и i80286 сопроцессор был редко устанавливаемым устройством, а вместе с процессором i80386 математический сопроцессор уже стал употребляться практически всегда. На сложных математических вычислениях сопроцессор позволял увеличить производительность ВМ в 20–30 раз.

На начальном этапе развития процессоров основными показателями прогресса были увеличение разрядности (4 – 8 – 16 – 32 разряда) и увеличение тактовой частоты работы процессора (i4004 – 108 КГц, i8008 – 2 МГц, i8086 – от 4,77 до 12 МГц, i80286 – от 6 до 20 МГц, i80368 – от 16 до 40 МГц). Однако рост быстродействия центрального процессора стало существенно опережать рост быстродействие оперативной памяти ВМ. Чтобы скорость работы ВМ в целом не ограничивалась быстродействием оперативной памяти, между процессорами старших моделей i80386 и основной памятью начали устанавливать небольшую по объему кэш-память, имеющую существенно более высокую скорость работы по сравнению с основной памятью.

На каждом из этапов эволюции процессоров с корпорацией Intel конкурировали другие производители, такие как корпорации IBM, AMD (American Micro Devises), NEC (Nippon Electronics Corporation), Cyrix, Weitek. В период повышения роли сопроцессоров конкурирующие корпорации особое внимание уделяли именно разработке новых сопроцессоров. Так, сопроцессоры Cyrix работали на 20–40% быстрее сопроцессоров Intel, а сопроцессоры Weitek – даже в 2–4 раза.

Выпуском в 1989 году нового процессора i80486 корпорация Intel избавилась от конкурентов на «сопроцессорном фронте». В процессор i80486 были введены два новшества: внутрь ядра процессора интегрированы сопроцессор и кэш-память объемом 8 Кбайт. Блок сопроцессора получил название FРU (Floating Point Unit, т. е. «устройство для обработки вещественных чисел») На этой стадии развития блок FРU оснащался набором 80-разрядных регистров, что позволяло оперировать с вещественными числами двойной точности. Набор реализуемых этим процессором команд возрос до 220.

Первое поколение процессоров i80486 (i80486DX) работало на тактовых частотах от 25 до 50 МГц. В следующем поколении этих процессоров было внедрен способ умножения внешней тактовой частоты, при котором система, состоящая из процессора, сопроцессора и кэш-памяти, работала на частоте, превышающей в 2–3 раза частоты работы системной шины и основной оперативной памяти, которые составляли 33 МГц. Таким образом, процессорная система i80486DX2 работала на частоте 66 МГц, а i80486DX4 – на 100 МГц. Клоны процессоров i80486, выпускаемые по лицензионному соглашению корпорацией AMD, работали и на более высоких частотах, а сама корпорация AMD на протяжении всей истории была и является основным серьезным конкурентом Intel.

Переход к 32-разрядной архитектуре процессоров позволял решать весьма ресурсоемкие задачи благодаря увеличению возможного объема адресного пространства до 4 Гбайт, что заведомо превосходило емкости запоминающих устройств того времени. Так как переход к 64-разрядным процессорам в тех условиях требовал существенных затрат на переработку имевшегося для персональных компьютеров достаточно обширного 32-разрядного программного обеспечения, дальнейшие усилия проектировщиков процессоров были направлены на совершенствование внутренней архитектуры 32-разрядных процессоров.

Одним из шагов в этом направлении стало использование в процессоре i80486 конвейерной архитектуры, хотя следует отметить, что разработчики семейства х86 начали заниматься проблемами такой архитектуры еще на стадии выпуска процессора i8086.

В 1993 году корпорацией Intel был выпущен новый процессор пятого поколения под названием Pentium. Эта торговая марка с целью борьбы с конкуренцией была запатентована, поэтому с того момента времени процессоры пятого поколения других разработчиков не имели права называться так же, как продукция Intel.

Pentium имел 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных, две раздельные 8 килобайтные кэш-памяти (для данных и для команд). Эти процессоры выпускались с тактовыми частотами от 60 до 200 МГц. В процессоре Pentium была впервые применена суперскалярная архитектура. Pentium содержал два пятиступенчатых конвейера, функционирующих параллельно и обрабатывающих две команды за один такт. В Intel Pentium использовались следующие особенности обработки команд. После блоков предварительной выборки и первой стадии декодирования инструкции разделялись на два конвейера, в которых происходили их окончательная дешифрация, выполнение и запись результатов. Эти конвейеры не были полностью независимыми. Команды по ним продвигались только в связке, то есть, если на выполнение конкретной стадии у одной инструкции уходил один такт, а у другой – два такта, то первый конвейер был вынужден простаивать.

В 1995 году был выпущен процессор шестого поколения Intel Pentium Pro, работа которого предусматривалась на частотах 150 – 200 МГц. По внутренней и внешней разрядности он был аналогичен процессору Pentium и также содержал раздельную кэш-память для данных и для команд емкостью по 8 Кбайт. Однако новый процессор значительно отличался от предыдущего по архитектуре. В процессорах Pentium Pro в составе ядра появился кэш второго уровня. Он был менее быстрым, чем кэш первого уровня, но зато его объем варьировался в пределах от 256 Кбайт до 2 Мбайт. Заметим, что в настоящее время подобная иерархия кэш-памяти стала общепринятой, а серверные варианты процессоров оснащаются кэш-памятью третьего и даже четвертого уровней относительно большого объема (подробнее кэш-памяти см. в разделе 3).

Pentium Pro имел три конвейера с более высокой степенью конвейеризации и большим, чем у Pentium, числом ступеней в блоке арифметических операций. В Pentium Pro получили применение методы динамического исполнения команд, а также механизмы предсказания передач управления в программах при условных переходах. У корпорации AMD первенцем динамического исполнения команд стал процессор К6. Отметим, что только за счет архитектурных новаций производительность процессора Intel Pentium Pro по отношению к Intel 8086 выросла в десятки раз. Хорошей иллюстрацией к вышесказанному является тот факт, что у процессора Intel 8086 на обработку одной команды (инструкции) требовалось 12 тактов работы процессора, тогда как процессор Intel Pentium Pro в среднем выполнял две команды за такт. То есть производительность за один такт увеличилась в среднем в 24 раза. При этом тактовые частоты за тот же период выросли в меньшее число раз (15–20 раз), что наглядно подчеркивает важную роль архитектуры процессора в повышении его общей производительности.

С середины 1990-х годов персональный компьютер постепенно стал превращаться в мультимедийный центр. Быстро растущая производительность уже позволяла обычным ПК решать задачи обработки изображений, звука и даже видео. Развитие подобных приложений происходило настолько бурными темпами, что довольно быстро назрел вопрос внедрения в процессор специализированных исполнительных устройств для обработки так называемых потоковых данных, когда по одной команде обрабатываются множественные «наборы» («потоки» или «векторы») операндов. В первоначальном варианте системы команд х86 использовался принцип однопоточности команд и данных SISD (Single Instruction – Single Data, т.е. «одна инструкция – один набор операндов»). При этом каждая команда одновременно могла обрабатывать только один набор операндов. И даже в том случае, если несколько последовательно расположенных команд оперировали одними и теми же данными, их выполнение не могло быть оптимизировано.

Принцип однопоточности команд и многопоточности данных SIMD(Single Instruction – Multiple Data, т. е. «одна инструкция – много наборов операндов») позволил существенно ускорить обработку однотипных данных, которые очень часто используются в мультимедийных приложениях. Например, при умножении массива переменных на определенное число при однопоточной схеме работы процессор будет циклически повторять одни и те же действия для каждой переменной, в том числе много раз декодировать одну и ту же команду умножения. Работая же по многопоточной схеме, процессор только один раз декодирует инструкцию, а дальше будет заниматься только вычислениями и пересылкой данных. Кроме того, при наличии соответствующих аппаратных средств он может одновременно выполнять несколько операций. Естественно, такая схема работы процессора значительно повышает эффективность вычислений.

Итак, необходимость повышения производительности при обработке потоковых данных привела к тому, что практически каждый принципиально новый процессор оснащался дополнительными исполнительными блоками, а система команд х86 все расширялась и расширялась.

Корпорация Intel произвела модификацию своего процессора пятого поколения Pentium и в начале 1997 года выпустила процессор Pentium MMX (ММХ – MultiMedia eXtensions, «мультимедийные расширения»). Исполнительный блок ММХ был предназначен для оптимизации обработки потоков целочисленных данных, что ускоряло быстродействие при работе со звуком и графикой. Отметим, что ММХ являлся первой реализацией многопоточной схемы на процессорах семейства х86. Расширение ММХ дополнило систему команд х86 новыми командами (57 дополнительных инструкций). В распоряжении ММХ-инструкций находилось восемь 64-разрядных регистров, что позволяло одновременно обрабатывать не только 64-разрядные операнды, но и пары 32-разрядных, четверки 16-разрядных и, наконец, восьмерки 8-разрядных операндов. Таким образом, за счет упаковки данных, наличия специальных команд, которые умеют эти данные одновременно обрабатывать, и самого исполнительного устройства становилось возможным существенно увеличить производительность процессора.

Однако в процессорах Pentium физические регистры ММХ не были предусмотрены. Фактически потоковые инструкции работали с логическими регистрами, которые отображались на адресное пространство блока FPU. В результате исполнительные устройства FPU и ММХ не могли функционировать параллельно, что уменьшало пиковую производительность.

Отметим, что блок ММХ не нарушал совместимости процессоров Pentium с ранее написанными программами, так как при их выполнении он попросту отключался. Процессор Pentium ММХ имел вдвое увеличенную кэш-память (16+16 Кбайт) и выпускался для работы на тактовых частотах 166–233 МГц.

В середине 1997 года Intel представила новую модификацию ранее разработанного процессора шестого поколения Pentium Pro. Этот процессор получил торговую марку Pentium II. В нем использовались высокопроизводительная технология обработки информации, впервые внедренная в Pentium Pro, и расширенная система команд ММХ. Pentium II имел увеличенную кэш-память первого уровня (16+16 Кбайт) и кэш-память второго уровня емкостью 512 Кбайт. Важным отличием Pentium II являлась архитектура двойной независимой шины, первые варианты введения которой были уже у Pentium Pro. В этой архитектуре процессор обменивается данными с кэшем второго уровня по специализированной высокоскоростной шине (часто называемой backsidebus – «шина заднего фронта»), отделенной от основной системной шины (frontsidebus или FSB – «шина переднего фронта»), которая работает на частоте материнской платы. Наличие более скоростного канала обмена с кэш-памятью второго уровня существенно увеличивало быстродействие системы в целом. Процессоры Pentium II поддерживали двухпроцессорную конфигурацию ПК и выпускались в частотных модификациях от 233 до 600 МГц. Разрядность шины адреса у процессоров Pentium ММХ и Pentium II составляла 36 бит, что увеличивало потенциальный объем адресного пространства памяти до 64 Гбайт.

С 1998 года корпорация Intel начинает выпускать «облегченные» и, соответственно, более дешевые варианты своих базовых процессоров. Такие процессоры получили торговую марку Celeron, которая используется и по сей день. Первые процессоры Celeron являлись модификацией Pentium II с полным отсутствием или относительно небольшим объемом вторичного кэша (128 Кбайт), а также сокращенной разрядностью адресной шины с 36 до 32 бит. Процессоры Celeron были и остаются весьма популярными для установки в недорогих ПК, не слишком требовательных к производительности.

Модернизация Pentium II привела к разработке процессора Pentium III (1999 г.), который относят к шестому поколению процессоров. Главным отличием нового процессора стало использование в нем нового набора инструкций SSE, которые являются дальнейшим развитием системы потоковых команд SIMD. SSE (Streaming SIMD Extensions – «потоковые SIMD расширения») представляет собой подсистему команд, предназначенных для обработки уже не только целочисленных, но и вещественных данных. SSE по сравнению с ММХ представляет гораздо больше возможностей для повышения быстродействия процессора. Исполнительный блок SSE изначально оснащен восьмеркой 128-битных физических регистров ММХ, поэтому он может функционировать одновременно с FPU. В новую подсистему команд включены операции обработки упакованных вещественных и целых чисел. Однако, несмотря на значительный объем регистров ММХ, максимально допустимая разрядность вещественных чисел составляет 32 бита. Это позволяет программистам оперировать лишь с данными одинарной точности, что, конечно, является существенным недостатком SSE. Применение SSE при обработке ранее созданного программного кода естественно невозможно. Для этого требуется как минимум перекомпиляция с использованием специальных библиотек, а как максимум – оптимизация алгоритмов. Кроме того, чтобы ощутить преимущества потоковых команд, процессор необходимо перевести в специальный режим, что требует соответствующей поддержки от операционной системы. Поэтому поначалу инструкции SSE внедрялись в практику довольно медленно. Но со временем появились программы, оптимизированные под этот набор инструкций (игры, кодеки, графические редакторы и многое другое), и стало понятно, что SSE – большой шаг вперед в развитии схемы SIMD.

Еще до внедрения технологии SSE в процессоры Intel корпорация AMD предложила свой собственный набор SIMD-инструкций под названием «3DNow!». Впервые его поддержка была включена в процессор AMD К6-2. Этот набор инструкций представляет собой подсистему команд, ускоряющих выполнение операций трехмерной графики. Как и SSE, 3DNow! позволяет оперировать вещественными числами. Недостатком первой реализации данной технологии в процессоре AMD К6-2 следует признать тот факт, что блок 3DNow! фактически подменял FPU. В седьмом поколении этот недочет был исправлен. Но, к сожалению, технология 3DNow! так и не получила широкой поддержки разработчиков программ ввиду ее узкой направленности. К тому же в настоящее время основную работу по обработке изображений выполняют так называемые графические видеоакселераторы (см. подраздел 4.2), что существенно уменьшает значимость данного набора инструкций.

Необходимо отметить, что производители х86-процессоров, оставаясь в рамках CISC-архитектуры, постепенно переводили микроархитектуру процессоров на идеологически более совершенную основу – архитектуру RISC. Для использования такого подхода поступающие CISC-команды сначала переводятся во внутренние RISC-команды, которые и исполняются процессором. Корпорация Intel начала применять элементы RISC-архитектуры еще в четвертом поколении своих процессоров (процессор i486), однако только в шестом поколении (Pentium Pro, Pentium II и Pentium III) переход на использование внутренних RISC-команд был полностью завершен. Корпорация AMD перешла на внутреннюю RISC-архитектуру еще в процессоре пятого поколения К5.

В середине 1999 года корпорация AMD выпустила первый процессор седьмого поколения, которому была присвоена торговая марка Athlon. В этом процессоре была достигнута высокая степень параллелизма исполняемых инструкций и существенно возросла производительность операций над вещественными числами за счет трех полностью конвейеризированных исполнительных блоков. Была также применена высокопроизводительная системная шина с частотами 100 и 133 МГц с передачей данных по обоим фронтам тактового импульса (таким образом фактическая частота передачи данных при этом составляла 200 и 266 МГц, а пропускная способность – 1,6 и 2,1 Гбайт/с соответственно). Новый процессор в отличие от процессоров предыдущего поколения был значительно лучше оптимизирован для достижения высоких тактовых частот, что оказалось решающим фактором его дальнейшего успеха.

Выпуск процессоров Athlon заставил корпорацию Intel форсировать разработку своего 32-разрядного процессора седьмого поколения, промышленные образцы которого под торговой маркой Pentium 4 поступили в продажу к концу 2000 года. Главные архитектурные нововведения в Pentium 4 носят фирменное название архитектуры NetBurst и заключаются в следующих механизмах и технологиях. Во-первых, в Pentium 4 для достижения максимальных тактовых частот резко увеличены длины конвейеров (до 20 стадий) и эта архитектура по определению Intel получила название гиперконвейеризированной (hyperpipelining). Однако еще раз отметим, что производительность процессора не зависит прямо пропорционально от длины конвейера и для каждой конкретной архитектуры существует оптимальное значение числа стадий, которое к тому же зависит от тактовой частоты процессора и даже типа выполняемых приложений. Основное достоинство длинного конвейера заключается в возможности соответствующего увеличения тактовой частоты работы процессора. С другой стороны, у длинного конвейера могут быть велики потери за счет остановок, что приводит к снижению производительности. Например, AMD в своих процессорах использует относительно более короткие конвейеры, чем в процессорах Intel, но у процессоров AMD выше степень скалярности (пространственного распараллеливания обработки данных). Например, в процессоре AMD Athlon, как уже указывалось выше, имеется три исполнительных блока для обработки чисел с плавающей запятой.

Другим важным нововведением в Pentium 4 стала передача четырех пакетов данных по системной шине за один такт. Таким образом, при физической тактовой частоте шины 100, 133 и 200 МГц для передачи данных используются оба фронта тактового сигнала плюс сдвиг фазы на 90 градусов, в результате чего эффективная частота передачи составляет 400, 533 и 800 МГц, а пропускная способность – 3,2; 4,3 и 6,4 Гбайт/с соответственно.

В Pentium 4 были внедрены быстрый исполнительный механизм (Rapid Execution Engine) и трассирующий кэш (Execution Trace Cache). Оба они призваны скомпенсировать издержки сверхдлинного конвейера. Первый делает это за счет увеличения вдвое частоты работы каждого из двух АЛУ по сравнению с частотой работы процессора, а второй – за счет изменения алгоритма работы кэш-памяти первого уровня для команд, в которой кэшируются уже декодированные инструкции, сгруппированные в соответствии с предсказанными переходами (трассами). Это позволяет очень быстро загрузить конвейер командами в случае неправильно предсказанного перехода. Кэш-память первого уровня для данных в Pentium 4 стала быстрее – ее размер был уменьшен в два раза (до 8 Кбайт). Кэш-память второго уровня также стала быстрее, но в данном случае уже за счет имевшегося резерва – данные передаются на каждый такт, а не через такт. Были усовершенствованы и другие блоки процессора, увеличена эффективность предсказания переходов, введена дополнительная буферизация.

В процессоре Pentium 4 корпорация Intel сделала очередной (ставший уже традиционным) шаг в совершенствовании архитектуры х86 – ввела новое расширение команд SSE2 для потоковых SIMD-инструкций. Набор SSE2 содержит 144 инструкции и позволяет работать со 128-разрядными данными: целочисленными и с плавающей точкой (отметим, что предшествующий набор SSE работал с 64-разрядными данными, а ММХ – только с целочисленными). Кроме того, в SSE2 появились новые инструкции для управления кэшированием, а именно для осуществления предварительной выборки и потоковой передачи данных. Результатом внедрения SSE2 стал значительный рост производительности процессора в мультимедийных приложениях, многих играх, задачах кодирования видео, научных расчетах. Фактически оказалось, что блок, ответственный за обработку SIMD-инструкций в процессорах Pentium 4, оказался мощнее, чем FPU. Подчеркнем, что все отличия SSE2 от SSE заключаются в системе команд и не касаются архитектуры процессора.

В процессорах Pentium 4 поддерживается новая технология Hyper-Threading. Суть этой технологии (название которой можно перевести как «многопоточность») заключается в том, что при исполнении нескольких потоков (т. е. нескольких приложений либо многопоточного приложения) процессор имеет возможность распределять ресурсы между ними. Такая схема коренным образом отличается от многозадачного режима работы, так как в последнем случае процессор распределяет лишь процессорное время, постоянно переключаясь между задачами. На практике Hyper-Threading реализуется следующим образом. Для программиста и операционной системы процессор с поддержкой этой технологии представляется как пара логических процессоров. На этапе выборки и дешифрации команд данная технология не вносит никаких изменений в процесс обработки данных, но после того, как команды «разложены» на микроинструкции, становится возможным параллельное исполнение двух потоков. Если, к примеру, текущая инструкция из первого потока осуществляет сложение целых чисел, а из второго – умножение вещественных, то они будут выполняться одновременно, задействовав ALU и FPU соответственно. При этом для каждой из них будут выделяться логические регистры путем переименования физических. Естественно, может возникнуть конфликтная ситуация, когда обоим потокам потребуются одни и те же исполнительные устройства. В этом случае процессор сам решает, какой из потоков имеет больший приоритет. Тесты процессоров Intel Pentium 4 с Hyper-Threading указывают на то, что во многих приложениях, работающих «в одиночку», данная технология не приводит к заметному росту быстродействия. С другой стороны, к примеру, в задачах кодирования видеоинформации и обработки изображений увеличение производительности достигает 10–15%. Но наибольший прирост производительности (до 30–40%) Hyper-Threading обеспечивает при одновременном выполнении нескольких приложений, поэтому новая технология имеет очевидные преимущества.

Необходимо отметить, что начиная с процессоров пятого поколения, корпорация Intel, а затем и другие фирмы-производители стали присваивать собственные имена процессорным ядрам (кристаллам), как элементам, во многом определяющим производительность процессоров. Таким образом, процессоры одной линии, построенные на разных ядрах, имеют как бы двойное наименование, которое указывается в их технических характеристиках. Каждое новое ядро с новым именем становится более совершенным по сравнению с предыдущим, а соответственно появление в наименовании процессора нового имени его ядра свидетельствуют об улучшении технических характеристик процессора. Например, процессоры Pentium III прошли следующую эволюцию ядер: Katmai – Coppermine – Tualatin, а семейство Celeron: Deschutes – Mendocino – Coppermine – Tualatin –Willamette – Northwood – Prescott.

Процессоры Pentium 4 образца 2003 года, изготовленные на основе процессорного ядра Northwood (выполнено по 0,13-мкм технологии с применением медных соединений, имеет площадь 146 мм² и содержит 55 млн транзисторов) достигли частоты 3,4 ГГц, имели кэш-память второго уровня объемом 512 Кбайт, передача данных осуществлялась по системной шине с эффективной частотой 800 МГц (при реальной частоте шины FSB на материнской плате – 200 МГц).

В это же время наивысший уровень процессоров AMD определялся процессором Athlon XP с рейтингом 3200+ (тактовая частота 2250 МГц), кэш-памятью первого уровня 128 Кбайт (64+64), кэш-памятью второго уровня 512 Кбайт и шиной с частотой 400 МГц. Старшие модели Athlon XP реализованы на процессорном ядре Barton с 0,13-мкм технологией и с использованием медных соединений, площадь ядра – 115 мм², количество транзисторов – около 54 млн шт. Под рейтингом (или «номером модели») корпорация AMD понимает некоторую эффективную (условную) частоту, которая, по заявлениям AMD, определяется в результате тестирования процессора на различных приложениях и обозначает частоту, на которой должен работать некий эталонный процессор, чтобы иметь такую же производительность, как и тестируемый.

Соблюдая примерный паритет в производительности на реальных приложениях по сравнению с процессорами AMD Athlon XP, процессоры Pentium 4 работают на значительно более высоких частотах, но обладают при этом меньшими значениями параметра IPC. Это связано с различием в подходах корпораций Intel и AMD к проектированию процессоров, вследствие чего архитектуры Pentium 4 и Athlon отличаются чрезвычайно сильно. Поэтому сравнение их только по тактовой частоте абсолютно бессмысленно.

Для рынка недорогих настольных компьютеров корпорация AMD предложила к 2003 году свой модельный ряд недорогих процессоров Duron на ядре Morgan (0,18-мкм техпроцесс, площадь ядра – 106 мм², количество транзисторов – около 25 млн), а также процессоры Athlon XP для нижнего ценового диапазона с более низкими рейтингами («младшие» модели от 1600+ до 2000+ с ядром Thoroughbred, имеющими выгодное соотношение цена/производительность).

В табл. 2.1 представлены основные технические и технологические характеристики базовых процессоров х86 с первого по седьмое поколения.

Таблица 2.1

Основные технические и технологические характеристики

базовых процессоров х86 с первого по седьмое поколения

Отметим, что корпорациями Intel и AMD при производстве процессоров Celeron и Duron для компьютеров нижнего ценового диапазона за основу берутся сложные базовые модели процессоров, производительность которых искусственно снижается. Однако такой важный параметр, как тепловыделение, остается практически на прежнем уровне. В результате требуются почти такие же затраты на охлаждение (а соответственно и необходимость установки мощных и шумных охлаждающих вентиляторов), как и высокопроизводительных «старших» моделей процессоров. Фирма VIA реализует свою идеологию создания процессоров для сегмента малопроизводительных недорогих компьютеров, которая заключается в достижении приемлемого (для систем низшего класса) уровня производительности минимальными средствами с отказом от дорогостоящих решений, рассчитанных на принципиально другой, более высокий уровень производительности. При этом архитектура процессора оптимизируется с целью минимизации количества транзисторов и площади кристалла, что позволяет уменьшить как энергопотребление, так и стоимость. В 2003 году был представлен процессор VIA С3, разработанный с учетом указанных принципов минимизации. Процессор VIA С3 с частотой 1ГГц построен на 0,13-мкм ядре Ezra-T, имеет 128 Кбайт кэш-памяти первого уровня и 64 Кбайт – второго. Число транзисторов – 15,8 млн, площадь кристалла – всего 52 мм², а потребляемая мощность – 12 Вт. Благодаря небольшой площади кристалла процессор имеет вполне конкурентоспособную цену, а при такой малой мощности можно при объемном радиаторе обойтись без охлаждающего вентилятора, снизив тем самым уровень шума и потребляемой энергии.

В 2004 году основным модельным рядом AMD для настольных компьютеров стало семейство процессоров Athlon 64. Помимо эффективной архитектуры, позволяющей процессорам Athlon 64 показывать высокий уровень быстродействия при сравнительно небольших тактовых частотах, эти процессоры обладают и некоторыми другими достоинствами. Например, в Athlon 64 реализована технология Cool’n’Quiet, позволяющая снижать частоту работы процессора в моменты его неполной загрузки, а соответственно снижать его тепловыделение и энергопотребление. Кроме того, процессор оснащен средствами Enhanced Virus Protection, защищающими ПК от вирусных программ. При использовании 0,13-мкм и 0,09-мкм техпроцессов Athlon 64 имеет частоты 2,2 – 2,4 ГГц. Процессоры Athlon 64 выпускаются на базе трех различных ядер: ClawHammer, NewCastle и Winchester. У ядра ClawHammer, исторически ставшего первым процессорным ядром Athlon 64, объем кэш-памяти второго уровня составляет 1 Мбайт. Ядро NewCastle, спроектированное AMD позднее, обладает вдвое меньшим объемом кэш-памяти второго уровня – 512 Кбайт. Оба ядра изготавливаются по 0,13-мкм технологическому процессу. Более же совершенная технология с 0,09-мкм проектными нормами используется при изготовлении ядра Winchester (кэш-память второго уровня – 512 Кбайт). Заметим, что наличие в процессорах AMD технологии AMD64 никоим образом не уменьшает ни функциональности, ни производительности этих продуктов в привычных 32-битных режимах.

Процессоры AMD Athlon 64 FX являются еще одной модификацией Athlon 64, которая предназначена для пользователей, стремящихся добиться максимальной производительности своей вычислительной машины. Фактически Athlon 64 FX построен на той же самой микроархитектуре, что и обычный Athlon 64. Однако благодаря ряду новых решений его производительность (а соответственно и цена) выше. В отличие от обычных Athlon 64, коэффициент умножения в нем не зафиксирован, что делает возможным увеличение частоты ядра процессора без увеличения частоты тактового генератора.

В 2004 году корпорация AMD также предложила новое семейство процессоров для недорогих компьютеров, получившее название Sempron. Эти процессоры фактически представляют собой переименованные процессоры Athlon XP. Модельный ряд процессоров Sempron с рейтингами до 2800+ составляют процессоры с частотой шины 333 МГц, частотами ядра до 2 ГГц и объемом кэш-памяти второго уровня объемом 256 Кбайт. Sempron 3000+ – это процессор на ядре Barton с частотой 2 ГГц, 333-МГц шиной и кэш-памятью второго уровня объемом 512 Кбайт.

В 2004 году продолжилось и развитие процессоров семейства Pentium 4. С переходом на 0,09-мкм технологический процесс корпорация Intel разработала новое процессорное ядро, получившее название Prescott, которое, как и его предшественники Willamette и Northwood, основано на архитектуре NetBurst. Ос­новная идея этой архитектуры – достижение высо­кой производительности благодаря функционированию процессора на высокой тактовой частоте. В Prescott по сравнению с предшествующими ядрами архитектура NetBurst несколько усовершенствована. Так, в Prescott удлинен исполнительный конвейер до 31 ступени. При этом частоты Pentium 4 на ядре Prescott к 2005 году достигли 3,8 ГГц (для сравнения укажем, что в процессоре Pentium III с 0,13-мкм ядром Taulatin и конвейером с 10 ста­диями максимальная частота превысила 1,5 ГГц, а в процессоре Pentium 4 с 0,13-мкм ядром Northwood и конвейером с 20 ста­диями максимальная частота достигла 3 ГГц и выше). Для того чтобы производительность процессоров на новом ядре Prescott на одинаковых частотах с Northwood не снизилась, в процессорах на ядрах Prescott увеличена кэш-память второго уровня с 512 Кбайт до 1 Мбайт, а кэш-память первого уровня для данных – с 8 Кбайт до 16 Кбайт. Размер же кэш-памяти для инструкций остался неизменным: он способен вместить 12 000 микроинструкций (микроопераций или микрокоманд), что примерно эквивалентно объему в 8 –16 Кбайт.

В ядре Prescott усовершенствовано предсказание ветвлений – основ­ной метод борьбы с простоями процессора, вызванны­ми необходимостью очистки и повторного заполнения длинного конвейера после неправильно предсказанных переходов. Работа блока предсказания переходов, применяюще­гося в процессорах с NetBurst-архитектурой, основы­вается на использовании буфера, в котором накапливается статистика выпол­ненных переходов. То есть, для предсказания переходов используется вероятностная модель – пре­имущественным направлением перехода процессор счи­тает то направление, которое наиболее вероятно соглас­но накопленным статистическим данным. Этот алго­ритм очень неплохо проявил себя на практике, однако он совершенно бесполезен в случае отсутствия стати­стики по конкретному переходу. Процессоры на ядре Northwood в этом случае всегда выбирали направление перехода «назад», вполне обоснованно считая, что са­мые распространенные условные переходы – это ус­ловия продолжения циклов. В Prescott эта статическая схема предсказания переходов была существенно дора­ботана. Теперь, если по встретившемуся переходу ста­тистика отсутствует, модуль предсказания перехода не делает однозначного вывода о его направлении, а осно­вывает свое решение на анализе расстояния, на кото­рое совершается переход, поскольку обратные перехо­ды в циклах редко совершаются за некую эмпирически найденную границу. Кроме того, была усовершенство­вана и схема динамического предсказания переходов. В результате, если у процессоров на ядре Northwood число неправильно предсказанных переходов в среднем составляло 0,86 на 100 инструкций, то теперь эта величина – 0,75 неправильных переходов на 100 инструкций. Иными словами, количество неправильно предсказанных пере­ходов снизилось на 12%.

Второе улучшение, реализованное в Prescott, – ус­коренное исполнение некоторых команд. Несмотря на то, что количество целочисленных АЛУ в процессоре осталось прежним – два для простых инструкций, ра­ботающих на удвоенной частоте ядра, и одно для слож­ных инструкций, – скорость исполнения отдельных ко­манд в Prescott возросла. Связано это с некоторыми изменениями в архитектуре АЛУ. Так, в одно из двух «быстрых» АЛУ был добавлен блок обычного циклического сдвига. Теперь та­кие инструкции исполняются быстрее, поскольку в пре­дыдущих реализациях Pentium 4 сдвиги трактовались как сложные инструкции и выполнялись на «медлен­ном» АЛУ. Также гораздо быстрее в процессорах на яд­ре Prescott выполняются операции целочислен­ного умножения. В предыдущих реализациях NetBurst целочисленное умножение выполнялось блоком FPU с предварительным переводом операндов сначала в фор­мат с плавающей точкой, а потом обратно. В Prescott же операции целочисленного умножения стали выпол­няться целочисленным АЛУ, что ощути­мо снизило время их выполнения. Так, скорость выполнения сдвигов возросла по меньшей мере в четыре раза, а целочисленные умноже­ния стали выполняться примерно на 25% быстрее.

Третье усовершенствование NetBurst в Prescott – оптимизация алгоритма предварительной выборки дан­ных. Она призвана уменьшить отрицательный эффект от ситуаций, когда в кэш-памяти процессора отсутствуют дан­ные для обработки. Усовершенствования затрагивают как программную предвыборку, инициируемую рабо­тающей программой, так и аппаратную предвыборку.

Еще одно новшество ядра Prescott – это модернизация технологии Hyper-Threading за счет увеличения количества эксклюзивных ресур­сов процессора для каждого потока, внедрения двух новых специаль­ных инструкций для управления несколькими потока­ми и возможности в Prescott распараллеливать некоторые процессы, которые в Northwood могли выполняться только по одному (в ча­стности, это касается одновременной работы потоков с кэш-памятью). В ядре Prescott дора­ботан набор SIMD-инструкций, получивший наименование SSE3 и содержащий 13 новых инструкций. Расширилась и функциональность процессоров Pentium 4. Процессоры Pentium 4 на ядре Prescott совместимы с технологией EM64T (Intel Extended Memory 64 Technology), практически полностью идентичной 64-битным расширениям AMD64. Intel реализовала технологию Execute Disable Bit, аналогичную Enhanced Virus Protection корпорации AMD, и начинает снабжать свои процессоры семейства Pentium 4 средствами Intel Enhanced SpeedStep, подобными Cool’n’Quiet от AMD.

Кроме обычных процессоров Pentium 4, среди предложений Intel есть и процессор Pentium 4 Extreme Edition, позиционирование которого сходно с позиционированием Athlon 64 FX корпорации AMD: этот процессор ориентирован на самых требовательных пользователей. Pentium 4 Extreme Edition с частотой 3,46 ГГц выполнен на ядре Gallatin с 0,13-мкм техпроцессом, построенном, в свою очередь, на базе ядра Northwood. Основное отличие Pentium 4 Extreme Edition от обычных процессоров Pentium 4 на ядре Northwood – наличие кэш-памяти третьего уровня объемом 2 Мбайт и использование 1066-МГц системной шины.

К 2005 году на смену традиционным массовым процессорам Celeron пришли процессоры семейства Celeron D с ядром Prescott. Благодаря новому ядру процессоры Celeron D приобрели увеличенную до 256 Кбайт кэш-память второго уровня, 533-МГц системную шину и совместимость с набором инструкций SSE3. Эти изменения заметно повысили производительность процессоров Celeron D по сравнению с предыдущим семейством Celeron, благодаря чему они стали достаточно удачным выбором с точки зрения соотношения цена/производительность.

Хотя доминирующее положение на рынке ПК занимают процессоры с архитектурой «x86», следует отметить разработку достаточно прогрессивного процессора для менее распространенного семейства компьютеров Macintosh фирмы Apple. Такой разработкой стал 64-разрядный RISC-процессор IBM PowerPC 970, именуемый фирмой Apple как PowerPC G5. Процессор PowerPC G5 – это дальнейшее развитие довольно успешного предшественника – Power4. Одна­ко если Power4 предназначался для серверов и высо­копроизводительных рабочих станций, то PowerPC G5 ориентирован на настольные ПК. В новом процессоре отсутствует кэш-память третьего уровня. При разработке этого процессора существенное внимание было уделено скорости работы с потоковыми данными, вследствие чего значительно изменилась системная шина этого процессора. PowerPC G5 изготавливается на производственных мощностях IBM с применением техпроцесса 0,13-мкм. Кон­вейер PowerPC G5, как и конвейеры процессоров AMD, относительно невелик и состоит из десяти ступеней.

Корпорация IBM решила не отказываться от полной об­ратной совместимости со старыми 32-разрядными при­ложениями. Это позволяет использовать на компьюте­рах серии Apple PowerMac G5 как старые 32-разрядные, так и новые 64-разрядные операционные системы MacOS и приложения. Увеличение же разрядности регистров процессора повлекло за собой рост доступного для про­цессора адресного пространства до 4 Тбайт. В рассматриваемом про­цессоре объем кэш-памяти второго уровня составляет 512 Кбайт, кэш-память первого уровня имеет 64 Кбайт для инструкций и 32 Кбайт для дан­ных. При этом по пропускной способности и латентности кэш-память PowerPC G5 не уступают кэш-памяти Pentium 4.

К настоящему времени ведущими разработчиками и изготовителями современных процессоров для класса персональных компьютеров клона IBM PC являются корпорации Intel (примерно 82% рынка) и AMD (около 17% рынка). Очень незначительная часть (менее 1%) приходится на долю фирм VIA (C3) и Transmeta (Crusoe). От проникновения других архитектур этот рынок надежно защищен гигантским объемом программного обеспечения, ориентированного на архитектуру x86. Однако можно утверждать, что причины столь внушительного превосходства Intel носят главным образом не технологический, а исторический и маркетинговый характер.

Ведущие производители процессоров в последнее время четко позиционируют свои изделия по классам компьютеров, для которых эти процессоры предназначаются. Поэтому далее отдельно рассмотрим характеристики процессоров для портативных мобильных компьютеров и процессоров для высокопроизводительных вычислительных машин и систем.