53

около 25 млн. транзисторов. Уменьшение размеров деталей и длин соединяющих их проводников позволяет улучшить еще одну характеристику микропроцессора, пропорционально влияющую на его производительность, – тактовую частоту. Если у чипа i4004 она равнялась 108 кГц, то современныесхемыдопускаютувеличениетактовойчастотыдо1000-3000 МГц, т.е. 3 ГГц, и это не предел.

При такой сложности разработка и постановка на производство каждой новой модели превращается в задачу гигантской сложности и трудоемкости стоимостью в миллиарды долларов. Даже крупнейшие фирмы не могут себе это позволить, поэтому среди производителей микропроцессоров наблюдается движение в сторону кооперации: альянс фирм Intel и Hewlett-Packard подготовил к производству Itanium; содружество IBM, Motorola и Apple привело к созданию линии мощных RISC-процессоров –

PowerPC.

5.2Совершенствование архитектуры

Ксожалению, бесконечно уменьшать размеры элементарных переключательных схем невозможно, так как они ограничены снизу размерами кристаллических решеток. Точно также нельзя беспредельно повышать тактовую частоту, так как скорость распространения электрического тока

конечна.

По-видимому, в ближайшее время элементные возможности микросхем подойдут к теоретическому пределу, дальнейшее повышение производительности компьютеров будет достигаться только за счет совершенствования архитектуры, которое развивается в пяти основных направлениях.

5.2.1 Увеличение разрядности

Тенденция к повышению разрядности отчетливо прослеживается в истории микропроцессоров. Современные кристаллы в основном 32-раз- рядные, однако продвинутые микросхемы, например PowerPC, а также перспективные массовые модели, например Itanium, являются 64-разряд- ными. В недалеком будущем, можно уже ожидать и появления 128-бито- вых чипов.

5.2.2 Движение в сторону RISC

Аббревиатура RISC расшифровывается как Reduced Instruction Set Computing – вычисления с сокращенным набором команд. Для того чтобы понять смысл этого явления, нужно вернуться к ранней истории ЭВМ.

54

В те времена алгоритмические языки и компиляторы еще не были известны и все программирование велось вручную в командах процессора. Поэтому разработчики компьютеров старались сделать систему команд удобной для ручного программирования, насытив ее сложными и емкими командами.

Такая организация системы команд получила название CISC (англ.

Complex Instruction Set Computing), т.е. вычисления со сложным набором команд, и первые микропроцессоры унаследовали от мэйнфреймов идеологию CISC. Стандартный набор команд чипа i8086 и всех последующих поколений процессоров Intel содержит около ста инструкций самого различного назначения и формата. Так как формат команды переменный, то она может быть корректно выбрана из памяти только после расшифровки кода операции, в результате каждая инструкция требует для своего выполнения несколько тактов процессора. То есть программа может быть короткой, однако время её выполнения в компьютере оказывается значительным.

Процессоры с RISC-архитектурой работают по-другому. В этих процессорах набор команд сильно ограничен, все инструкции максимально упрощены, они имеют одинаковый формат и, в идеале, могут выполняться за один машинный такт.

Программа, выполняющая тот же алгоритм примитивными командами, получается длиннее, однако за счет высокого быстродействия процессора наблюдается значительный выигрыш в производительности. Быстродействующие оптимизирующие компиляторы позволяют создать такой код, который использует все особенности набора команд и обеспечивает наивысшую вычислительную мощность.

Сторонники RISC-архитектуры доказали силу своих аргументов – наиболее производительные серверы и рабочие станции сегодня используют RISC-процессоры, однако и поклонники CISC-технологии не сдаются, на их стороне гигантский объем накопленного программного обеспечения в кодах ix86.

5.2.3 Усложнение архитектуры процессора

Еще один резерв повышения производительности кроется в распараллеливании вычислений внутри одного кристалла, при этом разработчики микросхем пытаются реализовать в конструкции принципы, типичные для организации промышленного производства.

Как известно, выполнение каждой команды ЭВМ складывается из несколькихфаз:выборка команды, расшифровкаее, чтение операндов, непосредственное исполнение операции, запись результата. В старых моделях

55

эти фазы выполнялись для каждой операции строго последовательно подобно тому, как в кустарных мастерских шла когда-то сборка автомобилей

– сначала собирали одну машину, потом вторую, при этом часть рабочих постоянно простаивала. Современный микропроцессор устроен значительно сложнее, он похож на предприятие, в котором множество рабочих собирают на конвейере поток автомобилей.

Конвейерный процессор совмещает по времени выполнение нескольких команд: для одной происходит чтение операции, для второй – декодирование и выборка регистров, для третьей – исполнение команды вычислительным блоком и т.д., в результате при той же тактовой частоте существенно повышается общая производительность. Более того, в самых совершенных конструкциях в чип встраивается несколько самостоятельных (до 6-8) вычислительных блоков с фиксированной и плавающей арифметикой, сверхбыстрая внутренняя память (кэш) и удивительное по совершенству логики управляющее устройство, предсказывающее возможное развитие вычислительного процесса на несколько шагов вперед, и с учетом этого организующее параллельную работу нескольких конвейеров.

Неизбежная плата за такую организацию – значительное повышение сложности и стоимости схемы, однако прогресс микроэлектроники позволил реализовать такую архитектуру во всех современных моделях, которые имеют существенно большую производительность при той же тактовой частоте.

5.2.4 Многопроцессорные конфигурации

Когда возможности одного кристалла исчерпаны, производительность компьютера в целом может быть увеличена за счет многопроцессорной организации.

В принципе число процессоров в компьютере ничем не ограничено, известны конструкции с сотнями и даже тысячами процессоров, однако суммарная производительность многопроцессорной системы растет далеко не линейно с числом процессоров, так как в каждой программе есть некоторый предел распараллеливания.

Практика показала, что на стандартных коммерческих задачах произ-

водительность системы растетпримерно как N , то есть четырехпроцес-

сорная (а сейчас уже 8-процессорная) конфигурация всего в два раза производительнее однопроцессорной, однако на специальных задачах, допускающих многократное распараллеливание (например, анализ вариантов хода в шахматной партии), многопроцессорные компьютеры могут показывать рекорды производительности (суперкомпьютеры).