Петровичев Е.И. Организация ЭВМ и систем
Подождите немного. Документ загружается.
Именно эта идея положена в основу протокола MESI. Использующий его процессор четко
различает кэш-строки, которых заведомо нет в кэш других процессоров (они помечаются как
Exclusive), и «общие», присутствующие более чем в одном кэш (они помечаются как Shared). Если
изменяется Shared-строка, то «соседям» по компьютеру передается сигнал-требование проверить
свои кэш и, если требуется, сделать напротив своих записей в кэш пометку «неправильно»
(Invalid). Если изменяется Exclusive-строка (а как уже говорилось, вероятность этого события очень
велика), то делать эту достаточно трудоемкую операцию нет необходимости. В любом случае
строка помечается как Modified, но попыток эту самую строку немедленно записать в оперативную
память не предпринимается. Зато все процессоры бдительно наблюдают за всеми операциями
чтения данных из памяти, и если один из процессоров замечает, что его сосед пытается прочитать
строчку памяти, которая в его кэш помечена как «Modified», то он прерывает эту операцию,
сохраняет изменения в оперативной памяти, снимает со «своей» кэш-строки «галочку» Modified и
только после этого разрешает вызвавшему «проблему» процессору завершить операцию чтения.
В итоге «типовые» операции с кэш-памятью в MESI происходят практически с той же скоростью,
что и в single-системе.
AMD использует всё тот же протокол MESI, но только доработанный таким образом, чтобы
процессоры могли эффективно использовать данные из кэш-памяти друг друга. В MESI
41
процессоры почти не используют кэш своих соседей: в лучшем случае чтение обновленных
данных из памяти производится при выгрузке этих данных в память «соседом». В протоколе же
MOESI любая операция чтения сопровождается проверкой кэш соседей – если нужные данные
находятся в одном из них, то и читаются они прямо оттуда; причем сохранение этих данных в
оперативную память при этом не производится. Просто «владелец» этой памяти ставит у себя
метку Owner3 напротив соответствующей строки кэш-памяти. Это позволяет не производить
ненужных записей в оперативную память и эффективно использовать память «соседа». В итоге в
двуядерных процессорах кэш-память первого и второго уровней «соседнего ядра» может работать
как кэш-память третьего уровня (L3); а кэш-память «чужих» процессоров в многопроцессорной
системе – как кэш четвертого уровня. Конечно, это не «полноценный» кэш L3/L4 и уж точно – не
полноценный разделяемый L2 (поскольку самостоятельно загрузить «соседа» своими данными
ядро процессора не может – оно может только надеяться, что «сосед» тоже эти данные будет
использовать), однако свою прибавку к производительности, безусловно, MOESI должен
обеспечивать. Это не означает, что в Intel не могут реализовать аналог протокола, предложенного
в 1986 году (и определенные варианты присутствует в Itanium-системах и некоторых других ядрах)
– просто для систем с общей системной шиной никаких преимуществ по сравнению с MESI он не
предоставляет. Что просто перебросить по этой медленной общей шине данные от одного
процессора к другому, что эти данные заодно и в оперативную память записать – разницы почти
никакой. А вот для процессоров AMD, у которых ядра и процессоры связаны между собой
интерфейсами, работающими гораздо быстрее обычной оперативной памяти, разница есть, и
порой она становится весьма ощутимой.
Система на основе Pentium 4 supporting Hyper-Threading
Чтобы отметить преимущества подхода Intel, заметим, что у этой корпорации тоже есть
эффективная технология Hyper-Threading. Технология виртуальной многопоточности (когда одно
физическое ядро изображает из себя несколько «виртуальных») позволяет гораздо эффективнее
загрузить исполнительные блоки этих процессоров работой. Параметр IPC (количество
инструкций, которые можно выполнить за один такт) для этих процессоров в устоявшемся режиме
может доходить до четырех. Это не просто много: это очень много даже по современным меркам.
Для сравнения: процессоры AMD архитектур K7 и K8 выполняют по 3 (в пике – до 6) инструкций за
такт, то есть теоретическая эффективность в пересчете на один мегагерц у Pentium 4 должна быть
выше, чем у Athlon 64 и Opteron. Причина низкого КПД архитектуры NetBurst в ряде приложений –
предмет отдельного анализа: отметим только, что сверхвысокие IPC для Pentium 4 вполне можно
увидеть на практике – на тщательно оптимизированных приложениях. Главное – это то, что Hyper-
Threading позволяет существующий КПД процессора на 10-25% увеличить: подобная прибавка
42
вполне способна перекрыть и выигрыш от более быстрой подсистемы памяти, и от более быстрой
шины, и от «более продвинутого» протокола MOESI.
По утверждениям Intel, двуядерность будет значительно эффективнее на тех же задачах, где
имеется прирост от использования Hyper-Threading. И это легко понять, если взглянуть на
следующие блок-схемы протекания процессов в двуядерной системе и одноядерной системе с
Hyper-Threading.
Для процессора Intel Pentium Extreme Edition, имеющего обе эти особенности и видимого в
операционной системе как четыре логических процессора, определенные сомнения в
эффективности совместного использования двуядерности и Hyper-Threading могут возникнуть,
хотя профессиональные приложения, показывающие мощный прирост и в этом случае, все же
существуют (например, Cinema 4D и другой 3D-рендеринг).
43
44
2.10.5. Особенности реализации
На сегодняшний момент все двуядерные процессоры Intel выпускает на основе ядра Smithfield,
которое, как уже упоминалось, является просто парой обыкновенных одноядерных процессоров
Pentium 4 Prescott (наследников степпинга E0), объединенных в виде единого кристалла.
Поддерживаются SSE/SSE2/SSE3, 64-битные расширения EM64T, энергосберегающая технология
EIST, технология защиты от вирусов XD-bit, объем кэш-памяти второго уровня (каждого ядра)
составляет 1 Мбайт. Площадь ядра Smithfield – 203 мм
2
, количество транзисторов – более 230
миллионов; благодаря отлаженному 90-нм технологическому процессу особых затруднений для
Intel массовый выпуск подобных кристаллов не представляет.
Предвидятся проблемы с энергопотреблением и тепловыделением у этих процессоров: одно
ядро потребляет ток в 78 ампер и рассеивает 89 Вт тепла. Тактовые частоты для новых
процессоров пришлось значительно понизить: вместо максимальных для Pentium 4 3,8 ГГц
выпущенные двуядерные CPU Intel работают на частотах, не превосходящих 3,2 ГГц. Но даже с
учетом этого старшие модели новых Smithfield рассеивают не менее 130 Вт (зато младшие – 95
ватт) и требуют для своей работы схем питания VRM соответствующих новому, пятому стандарту
питания для процессоров Intel. Работать в ранее выпущенных системах (за исключением
появившегося незадолго до выпуска Pentium Extreme Edition чипсета nForce 4 SLI Intel Edition) они
тоже не будут – в них даже предусмотрен специальный механизм защиты, который не позволит
«жадному» до тока Smithfield сжечь не рассчитанную на его установку материнскую плату.
По маркетинговым соображениям на основе одних и тех же Smithfield выпускаются сразу две
линейки процессоров: относительно недорогие Pentium D (модели 820, 830 и 840 с частотами 2,8;
3,0 и 3,2 ГГц соответственно) и «экстремальный» Pentium Extreme Edition 840 (3,2 ГГц).
Отличаются же они только тем, что в Pentium D отключена технология Hyper-Threading и
множитель заблокирован для изменения в большую сторону, а в Extreme Edition его можно
повышать до 60.
AMD также выпустила на рынок четыре двуядерных десктопных процессора (и тоже предпочла
выделить их в отдельный бренд – Athlon 64 X2). Однако, в отличие от процессоров Intel,
основываются они на двух различных процессорных кристаллах – с 512 и с 1024 Кбайт кэш-памяти
второго уровня. Кроме того, еще несколько раньше были анонсировано девять двуядерных
Opteron (на основе ядер с 1024-Кбайтного кэш L2) для одно-, двух- и многопроцессорных систем.
Проблемы предвидятся с тем, что компания принципиально вынуждена выпускать
однокристальные двуядерники, а кристалл Toledo (с 1 Мбайт кэш L2) получился довольно
громоздким (хотя и не столь большим, как Smithfield): 199 мм
2
и те же самые 230 миллионов
транзисторов – сказывается интегрированный Northbridge, пусть даже и общий для обоих ядер.
Выпускается Toledo по 90-нм технологическому процессу второго поколения (с использованием
45
напряженного кремния, т.н. Dual Stress Liner) на основе нового степпинга E0/E3 (поддержка
SSE/SSE2/SSE3/3D now! Professional, AMD64, NX-bit, Cool`n`Quiet и усовершенствованный
контроллер памяти). Проблем с потребляемым током и тепловыделением у двуядерников AMD
поменьше (тепловой пакет составляет 95 Вт для новых Opteron и 110 Вт – для Athlon 64 X2),
работать эти процессоры должны в любых Socket 939–системах, достаточно мощных, чтобы на
них можно было запустить Athlon 64 FX-55.
Двуядерные процессоры Intel
Процессор Pentium D 820 Pentium D 830 Pentium D 840
Pentium
Extreme Edition 840
Тактовая частота 2,80 ГГц 3,00 ГГц 3,20 ГГц 3,20 ГГц
Системная шина 800 МГц 800 МГц 800 МГц 800 МГц
Кэш-память L2 2 x 1 Мбайт 2 x 1 Мбайт 2 x 1 Мбайт 2 x 1 Мбайт
Hyper-Threading - - - +
Разблокированный
(вверх) множитель
- - - +
Поддержка EIST Нет Есть Есть Нет
Thermal Design
Power
95 Вт 95 Вт 130 Вт 130 Вт
Цена $241 $316 $530 $999
Двуядерные процессоры AMD
Процессор
Athlon 64 X2
4200+
Athlon 64 X2
4400+
Athlon 64 X2
4600+
Athlon 64 X2
4800+
Тактовая
частота
2,2 ГГц 2,2 ГГц 2,4 ГГц 2,4 ГГц
Кэш-память L2 2 x 512 Кбайт 2 x 1 Мбайт 2 x 512 Кбайт 2 x 1 Мбайт
Шина
HyperTransport
1000 МГц 1000 МГц 1000 МГц 1000 МГц
Контроллер
памяти
Двухканальный контроллер памяти Unbuffered DDR SDRAM.
Поддерживаются модули DDR200, DDR266, DDR333, DDR400
Thermal Design
Power
110 Вт
Цена $531 $581 $803 $1001
Двуядерные серверные процессоры AMD Opteron
Процессор 865 870 875 265 270 275 165 170 175
Кол-во
процессоров в
системе
4-8 2 1
Тактовая
частота, ГГц
1.8 2.0 2.2 1.8 2.0 2.2 1.8 2.0 2.2
Кэш-память L2 2 x 1 Мбайт 2 x 1 Мбайт 2 x 1 Мбайт
Шина Hyper
Transport
HT 2.0 1000 ГГц,
3 линка
HT 2.0 1000 ГГц,
2 линка
HT 2.0 1000 ГГц,
1 линк
Контроллер
памяти
Двухканальный контроллер памяти Registered DDR SDRAM.
Поддерживается DDR200-DDR400; поддерживается ECC
Thermal Design
Power
95 Вт
Цена $1514 $2149 $2649 $851 $1051 $1299
Пока
не продаются
46
2.11. Переход на 64-разрядную архитектуру
2.11.1. Введение
Переход с 16-рязрядной архитектуры на 32-разрядную многими рядовыми пользователями был
просто не осознан. Чипы 64-бит RISC-процессоров вышли на рынок еще в конце 90-х. Тогда это
были типично серверные процессоры, причем уже широко известные узкому кругу специалистов.
За несколько лет у пользователей сложились мифы и представления о скачке в разрядности
процессора, вплоть до того, что переход на 64-бит означает двукратный прирост
производительности! Впрочем, до сих пор использование 64-бит процессоров в компьютерных
технологиях ограничивается серверами и мощными рабочими станциями. Заказчики подобных
машин абсолютно четко представляют себе, что им требуется и на что способно такое
оборудование.
С появлением Athlon-64, 64-битные процессоры претендуют на использование в персональных
компьютерах, так что нужно уточнить, что они из себя представляют, как работают, и отделить
некоторые мифы от истины.
Напомним основы работы процессоров и историю наращивания их разрядности - это послужит
той необходимой платформой, от которой будет отталкиваться весь последующий анализ. Первым
Intel-микропроцессором был 4004, 4-бит разрядности. Это означало, что процессорные регистры
общего назначения могли хранить лишь числа такой размерности, ALU (arithmetic logic unit) -
модуль, выполняющий вычисления с целыми числами, мог их обрабатывать, процессор мог
использовать 4-бит числа при адресации к блокам памяти. То есть, к примеру, для инструкций,
работающих с целыми числами, были доступны лишь значения от -7 до 8. Очевидно, маловато
для любой арифметической операции. Справедливости ради следует сказать, что
предусматривалось внешнее сцепление чипов в многоразрядные конструкции и соответствующее
программное обеспечение позволяло обеспечивать вычисления на таком процессоре.
Впрочем, уже очень скоро появился на свет 8-бит 8008 (-127 - 128); скоро его сменил 16-бит
8086 и 80286 (-32768 - 32767), а уже в 1986 году мы увидели 80386 процессор, впервые
реализовавший 32-бит режим работы, что дало возможность работы с числами свыше двух
миллиардов.
Корпорация Intel, объявляя разработку новой архитектуры IA-64 (Merced-Itanium), учитывала,
что с повсеместным распространением высокоуровневого интерфейса программирования и
практически полным отказом от использования языка Ассемблера в сегодняшней программной
индустрии (даже BIOS стали писать на С) переход на новую систему команд может произойти и
более безболезненно, чем 30 лет назад, несмотря даже на гораздо больший объем накопленного
программного обеспечения. Теперь совместимость на уровне языка Ассемблера уже не требуется,
а совместимость на уровне языка высокого уровня достигается путем написания
соответствующего компилятора.
AMD же, напротив, объявила о приверженности существующего набору команд даже в своем
новом 64-разрядном процессоре.
2.11.2. Как оперирует числами процессор
В модуль ALU (в последних процессорах их уже несколько) поступают все инструкции и данные,
необходимые для целочисленных вычислений; как правило, это один из самых быстрых в плане
тактовой частоты модулей процессора. Упрощенно процесс его работы можно представить
следующим образом: поступили данные (две цифры - 3 и 4), поступила инструкция (операция
умножения). На выходе получили результат - 12. Разрядность процессора (4-бит или 64-бит) не
влияет на данную схему. Прежде чем данные попадут в ALU, они должны быть туда загружены из
некоего источника: винчестера, RAM или внешней памяти; при этом процессор чаще всего
получает их через кэш. Из кэш данные попадают непосредственно в процессор через посредника,
роль которого выполняет набор совсем уж небольших блоков для хранения данных, работающих
на очень большой скорости и называющихся регистрами.
Как раз оттуда ALU и получает данные, с которыми работает, и для ALU операция
формулируется не как "3 * 4", а:
"содержимое регистра А” - (расшифрованный код операции) – “содержимое регистра В" -
сохранить результат в один из регистров (может быть, даже в один из
использовавшихся в операции)
47
откуда он потом, при необходимости, может быть взят для еще одной операции или же быть
записан в оперативную память, освободив драгоценное место.
Когда мы говорим о разрядности процессора, то, практически, в первую очередь мы говорим как
раз о разрядности этих регистров - могут ли они хранить 8, 16, 32, или 64-бит числа.
С дробными числами, с числами с плавающей точкой ситуация обстоит совершенно иным
образом. Для их хранения и операций с ними требуется прежде всего больший объем - это
очевидно, учитывая, сколько цифр приходится хранить для подобных чисел. Особенно, если
требуется повышенная точность и, соответственно, увеличенное число знаков после запятой.
Поскольку необходимость в работе с ними возникла не вчера, то никто здесь прихода 64-бит
процессоров ждать и не собирался.
С числами с плавающей запятой работает отдельный набор инструкций х87, с ними оперируют
отдельные вычислительные блоки, сведенные в модуль с общим названием "сопроцессор", а
хранятся они и оперирует с ними процессор во внутреннем формате с 80-бит представлением.
Ради чисел с плавающей запятой затевать переход на 64 разряда явно не требовалось. Тем более
что это направление развивается совершенно автономным образом - SSE, 3DNow и так далее, так
что переход х86 с 32-бит на 64 его затрагивает весьма слабо.
Существует, впрочем, и еще один аспект вопроса, а именно - доступ к памяти. Дело в том, что в
базовом режиме, так называемом "flat addressing", те же самые регистры общего назначения
используются для хранения адресов доступа к памяти. 32 бита дают нам 4.3 миллиарда
возможных комбинаций, так что 32-бит процессор может, таким образом, осилить память емкостью
4.3 Гбайт. Адреса ячеек, имеющих номера более этого числа, он попросту не может хранить в
своих регистрах.
Очевидно, что здесь польза от 64 бит проявляется наиболее заметно, поскольку объем
адресуемого пространства сразу увеличивается до 18 терабайт. Но прямая адресация 4 Гбайт
оперативной памяти в настоящее время требуется, в основном, лишь в серверах, хотя через
несколько лет, очевидно, до таких объемов доберутся и PC.
В первую очередь выигрыш от перехода на 64-разрядные процессоры получают серверы баз
данных, где серьезные базы давно уже переросли объем в 4 Гбайт, а возможность кэшировать их
полностью в оперативной памяти слишком заманчива в плане производительности.
Производители серверных решений не стали дожидаться перехода: за счет использования
различных подходов, 32-бит Xeon позволяет адресовать более 4 Гбайт данных (до 64 Гбайт), хотя,
конечно подобные полухакерские решения трудно назвать серьезной платформой под будущее,
да и падение производительности при операциях с памятью при этом измеряется в десятках
процентов. Впрочем, будущее от Intel - это Itanium, а не Xeon.
2.11.3. Области применения 64-битного процессора
Прямая адресация памяти выше 4 Гбайт в настольном компьютере требуется редко, однако
совершенствование приложений, работающих с 2D и 3D графикой, а также с видео, уже в течение
ближайших лет позволят перешагнуть этот барьер. Пользователь офисных приложений ничего не
выиграет при переходе на 64-бит системы.
Однако в подобных рассуждениях есть изъян - они ведутся так, будто 64-бит адресация к
памяти является единственным достоинством 64-бит процессоров. От представления целых чисел
в 64-бит формате для вычислений выигрыш наступает во многом для тех же серверов, симуляции
ядерных взрывов, прогнозов погоды, криптографии и прочих подобных приложений, где
действительно может возникнуть ситуация, когда 32-бит диапазона целых чисел может не хватить.
В реальных приложениях обычных PC таких задач не возникает. Если таковая потребность
возникает, то языки высокого уровня, вроде того же С, позволяют использовать стандартный
прием, когда для представления 64-бит числа используются два 32-бит регистра. Поскольку
количество регистров весьма ограничено, это несколько негативно сказывается на
производительности.
Вывод: для той же архитектуры производительность 64-бит процессоров будет выше только
для тех задач, где используются 64-бит вычисления, поскольку снимается необходимость
использования подобных трюков. 32-бит задачи будут исполняться с той же самой скоростью,
хотя, в принципе, могут, - с минимальной доработкой, - получить доступ к 64-бит адресному
пространству.
Уточнение "для той же архитектуры" было сделано отнюдь не зря, поскольку если мы
отталкиваемся от х86, то это будет справедливо только для Athlon 64 и Opteron от AMD.
Остальные разработчики 64-бит систем пошли по совсем другому направлению, разрабатывая под
64-бит специальные архитектуры.
48
2.11.4. Архитектура Intel 64
Компания предпочла, если можно так выразиться, совершить бархатную революцию.
Продолжая развивать свою линейку 32-бит процессоров, она начала параллельно выводить на
рынок 64-бит семейство. В отличие от этого, переход с 16 на 32 бит был сделан абсолютно
дискретно - 80386 полностью заменил собой 80286, волевым решением.
Процессор разрабатывался с нуля, причем параллельно сразу в двух версиях: инженерами Intel
и Hewlett-Packard. Впрочем, в основе обоих чипов лежали, естественно, одни и те же идеи,
поскольку создавались они все же совместно и должны были оба стать родоначальниками одного
и того же семейства. Цементирующими факторами были:
единая идеология, пришедшая на смену CISC - EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing
- вычисления с явными параллельными инструкциями);
новая архитектура IA-64, включающая в себя набор инструкций, описание регистров и
остальные элементы архитектуры. Впрочем, архитектура как раз - вещь изменчивая,
достаточно вспомнить, как отличаются между собой такие CISC процессоры, как 8086 и
80486, оба созданные на базе х86.
Точно так же с Merced и McKinley, Itanium и Itanium 2 - оба построены на основе одной
идеологии, но на разных вариантах архитектуры. В свое время та же история, в общем -то, была с
Pentium и Pentium Pro. Впрочем, общие черты были у тех, есть и у этих, - за это "отвечает" EPIC.
В первую очередь речь идет о полноценной масштабной суперскалярности, то есть
способности выполнять одновременно несколько инструкций - для чего процессор содержит
несколько исполнительных модулей - для операций с целыми числами, с числами с плавающей
запятой и т.д.
В отличие от Pentium и его последователей, разбирающихся в коде самостоятельно, EPIC-
процессоры преимущественно полагаются на компилятор, который должен сам проанализировать
код на предмет нахождения оптимальных мест для распараллеливания его выполнения и
снабдить процессор этой информацией - поэтому и "explicitly". Процессор не должен сам пытаться
понять, что можно исполнять параллельно, а что нет, и т.д. - все это ему уже заранее объяснит
компилятор. Плюс мощные механизмы по предсказанию переходов, предварительному
выполнению кусков кода, предварительной загрузке данных и т.п. - загрузка исполнительных
блоков должна быть распределена максимально равномерно.
Кардинально решен вопрос с регистрами, количество которых увеличено в несколько раз. У
Itanium оно составляет: 128 регистров общего назначения, 128 - для хранения чисел с плавающей
запятой, 8 регистров переходов и 64, - отвечающих за работу механизмов предсказания. Такого
количества регистров, да еще реально 64-битных, хватит для хранения любых требуемых чисел
для любого разумного количества исполнительных модулей. Таких модулей у Itanium, первого
представителя семейства: два целочисленных, два для операций с памятью (итого - 4 ALU-
инструкции за такт) и четыре - для операций с плавающей точкой. Физическая память адресуется
44-бит числами, что ограничивает ее объем "всего лишь" 17.6 Терабайтами, блоки для операций с
плавающей точкой работают с числами в 82-бит представлении.
От идеи реализовать 32-бит х86 ядро в аппаратном виде Intel отказалась, сочтя это слишком
неэффективным использованием площади кристалла, так что для того чтобы получить
возможность исполнения Itanium старого х86 кода, пришлось создать систему трансляции, которая
«на лету» преобразует х86 код в IA-64. Очевидно, что при прочих равных условиях
производительность подобного решения будет ниже, чем у чистого х86, работающего на той же
частоте. Не следует ожидать от Itanium скоростного исполнения х86 программ - поддержка этой
архитектуры относится скорее к издержкам переходного периода. Это семейство для решения 32-
бит задач не приспособлено, вряд ли следует использовать Itanium для подобных целей.
Вдобавок, сам по себе Itanium был в значительной степени пилотным проектом, как и Pentium
Pro, так что процессор вообще стоит рассматривать больше как демонстрацию возможностей
архитектуры, чем реальный коммерческий продукт. Характерный штрих - чипсет для Itanium,
460GX, поддерживает в качестве памяти всего лишь РС100 SDRAM, это кое-что говорит о
скорости, с которой способен обрабатывать данные процессор. С другой стороны, в какой-то мере
не слишком быстрый интерфейс с оперативной памятью компенсируется очень большим кэш - 2
или 4 Мбайт L3, работающем на полной частоте процессора (733 или 800 МГц), с пропускной
способностью до 12.8 Гбайт/с.
Еще одной задачей Itanium было решить вопрос с компиляторами - ведь EPIC-процессоры, как
уже упоминалось, очень сильно от них зависят. В отличие от компиляторов для х86 процессоров,
которые на производительность процессоров почти не влияли, здесь компиляторы являются
49
полноправными партнерами процессора - ведь они снабжают его крайне необходимой для работы
информацией, и от качества этой информации будет зависеть скорость исполнения данной
программы процессором.
Itanium 2 является уже куда более коммерческим продуктом. Созданный командой инженеров
Hewlett-Packard, получившей большой опыт при создании 64-бит процессоров серии PA-RISC, чип
процессора получился куда более совершенным. С несколько меньшим количеством кэш L3 (1.5
или 3 Мбайт) и несколько более высокой частотой - 900 МГц или 1 ГГц, он обеспечивает в полтора-
два раза большую производительность на тех же задачах, что и Itanium. И является, фактически,
первым коммерческим представителем архитектуры IA-64. Дальнейшие планы у Intel расписаны
совершенно четко: в ближайшие несколько лет особых революций не предвидится - только
совершенствование техпроцесса.
Далее планируется еще большее распараллеливание максимально модным на сегодняшний
день путем: процессор должен будет перейти на два физических ядра, что позволит практически
удвоить производительность по достаточно приемлемой цене - по крайней мере, результат
получится куда более дешевым, чем если бы того же количества исполнительных модулей,
регистров и т.п. пытались достичь на едином кристалле.
Технология же Yamhill, ответ Intel на AMD x86-64, то есть, 64-бит надстройка для 32-бит
процессоров, так и остается чем-то неопределенным. Можно не сомневаться, что подобные
наработки у Intel действительно имеются, но линейка Pentium 4 - Xeon - Itanium на сегодняшний
день настолько плотно закрывает все возможные спектры применений, что добавлять телеге
пятое колесо просто-напросто нет никакой необходимости.
2.11.5. Архитектура AMD 64
У AMD же подход полностью противоположный. Компания считает, что сейчас не время и не
место для революций, а плавность эволюционного развития х86 со времен 8086 до Pentium 4 и
Athlon XP, не должна прерываться. Исходя из этого и формулировалась сама идеология создания
процессора AMD следующего поколения - К8. Необходимость 64-битности уже тогда
прослеживалась абсолютно явно, да и Intel уже во всеуслышание заявила о разработке IA-64, так
что вопрос - быть 64-бит или не быть, на повестке дня для компании просто не стоял.
Возможности компаний Intel и AMD: объем производственных мощностей, финансовые
ресурсы, доля рынка процессоров – несравнимы. Последовать по пути своего конкурента и
предложить в противовес Intel абсолютно новую идеологию AMD попросту не могла. Оставалось
сделать то, что у AMD обычно получалось лучше всего: взять старый х86 и сделать его лучше, чем
у Intel. Так родилась на свет архитектура х86-64.
В первую очередь здесь идет речь об увеличении разрядности восьми регистров общего
назначения до 64-бит. Этого очень мало для сегодняшних процессоров, даже если мы учтем
наличие еще восьми регистров для операций с плавающей точкой и восьми регистров для SIMD-
операций. В любом случае это несравнимо с количеством регистров у процессоров действительно
нового поколения - у того же Itanium, что и обеспечивает ему новый уровень производительности.
Мы привыкли во многом оценивать процессоры по разнице в объеме кэш - а ведь разница в
количестве регистров не менее важна, поскольку они играют роль своеобразного пред-кэш.
Разработчикам микропроцессоров давно известны некоторые из путей решения проблемы.
Например, у того же Pentium 4 действительно восемь 32-бит регистров общего назначения - тех,
что видит исполняемый код. За их же фоном в глубинах процессора скрываются еще 120,
которыми процессор может управлять, в нужный момент представляя любой из них под
псевдонимом одного из базовой восьмерки.
AMD предпочла более очевидный для компилятора путь, вдвое увеличив количество видимых
ему регистров - в 64-бит режиме К8 имеет шестнадцать 64-бит регистров общего назначения.
Количество регистров для операций с плавающей точкой осталось прежним - восемь, поскольку не
на х87 при операциях с плавающей точкой здесь возлагается основная надежда, а на SIMD-
операции, потому и количество SIMD-регистров также удвоено - тоже до шестнадцати.
Дальше все зависит лишь от того режима, в котором работает процессор. Есть режим обратной
совместимости, где К8 работает как обычный 32-бит процессор, не используя ничего из своих
новых возможностей, кроме тех, что относятся к простому увеличению производительности
процессора. Есть так называемый "long mode", который, в свою очередь, состоит из двух
подрежимов: "64-bit mode" и "compatibility mode". Обязательно требуется наличие 64-бит OS,
способной исполнять оба вида кода, как 64-бит, так и обычный х86. Естественно, что в последнем
случае программа не будет иметь доступа к памяти выше 4 Гбайт, полному объему регистров,
дополнительным регистрам и т.д. В общем, в свое время Windows 95 примерно так же относилась
к 16-бит и 32-бит программам.
50