5. Повышение производительности микропроцессоров

Дальнейшая часть данной работы будет посвящена анализу тенденций развития микропроцессоров (т.е. их архитектуры и микроархитектуры) с точки зрения повышения производительности. Под микроархитектурой будем понимать функциональный способ реализации архитектуры.

Обычно под производительностью понимают отношение общего числа выполненных инструкций ко времени их выполнения.

Количество инструкций

Производительность = -------------------------------------

Время выполнения

Целесообразно производительность связать с тактовой частотой работы микропроцессора. Это можно сделать следующим образом:

Количество инструкций Количество инструкций Количество тактов

------------------------------------ = ---------------------------------- x ----------------------

Время выполнения Количество тактов Время выполнения

при этом под количеством тактов предполагается то их количество, которое требуется для выполнения заданного количества инструкций. В этом произведении первый сомножитель можно рассматривать как количество инструкций, выполняемых за один такт микропроцессора (инструкции на такт, ИНТ), а второй сомножитель – количество тактов в единицу времени – а это и есть тактовая частота.

Таким образом, производительность микропроцессора зависит от количества инструкций, выполняемых за один такт, и от его тактовой частоты:

Производительность = ИНТ x Частота

Представленную формулу нельзя назвать универсальной, так как показатель количества инструкций, выполняемых за один такт, не является постоянным и зависит от многих параметров: от самой архитектуры микропроцессора, от того, какие инструкции использует микропроцессор, от используемого компилятора. Можно сказать, что данная формула показывает, в каком направлении следует развивать микропроцессор, чтобы повышать его производительность.

Частота работы микропроцессора в первую очередь зависит от технологии его производства, которая определяет минимальные размеры всех структурных элементов (в том числе и транзисторов), быстродействие транзисторов, время задержки передачи сигналов, количество уровней металлизации и т.д.

Самым главным препятствием на пути повышения частоты работы микропроцессора является неконтролируемый рост плотности рассеиваемой процессором мощности. Известно, что КМОП-схемы в основном потребляют энергию в моменты переключения. Поэтому, чем больше транзисторов содержит процессор и чем выше тактовая частота, тем выше и потребляемая мощность, причем работа переключения при переходе к меньшим топологичесим нормам, уменьшается медленнее, чем растет число транзисторов в процессоре. При сохранении этой тенденции процессоры Intel скоро будут выделять больше тепла на квадратный сантиметр, чем поверхность Солнца. Рассмотрение технологических вопросов не входит в рамки данной работы.

Другой сомножитель – количество инструкций, выполняемых за один такт – представляет значительный интерес, поскольку усилия разработчиков в значительной степени направлены на обеспечение параллельной работы отдельных блоков микропроцессора, что вызывает повышение производительности микропроцессора. Можно сказать, что основной парадигмой развития микропроцессорных архитектур является параллелизм. В последнее время особо широкое распространение приобрели архитектуры процессоров, обеспечивающие параллелизм на уровне инструкций (ILP - Instruction Level Parallelism).