Аверянов Современная информатика 2011

ГЛАВА 3. МИКРОПРОЦЕССОРЫ, МИКРОКОМПЬЮТЕРЫ. ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ, РАБОЧИЕ СТАНЦИИ, СЕРВЕРЫ И СУПЕРСЕРВЕРЫ

3.1. Микропроцессоры – эволюция, классификация, перспективы

Компьютерная революция, произошедшая во второй половине прошлого века, связана, прежде всего, с рядом знаковых достижений в электронной, а точнее в микроэлектронной, технике. Именно достижения электроники привели к фантастическому прогрессу в деле разработки технических средств информатики. В связи с этим необходимо хотя бы упомянуть об основных этапах развития электронной техники прошлого столетия – основах современных компьютеров.

Важнейшим событием в развитии электроники указанного периода является разработка транзистора. В 1951 г. Уильям Шокли, сотрудник Bell Lab., крупнейшего американского концерна по телеграфии и телефонии, продемонстрировал миру первый транзистор, представляющий трехслойный «сэндвич» толщиной около 1 см, заключенный в металлический корпус. Это совместная работа, в которой также участвовали сотрудники той же лаборатории Джон Бардин и Уолтер Браттейн, была вполне заслуженно оценена Нобелевской премией по физике в 1956 г. (кстати, Джон Бардин дважды лауреат Нобелевской премии – вторая за теплую сверхпроводимость).

Хотя изобретение транзистора было выдающимся достижением, оно не сразу завоевало достойное место из-за трудностей производства. На начальном этапе цена транзисторов была достаточно высокой (болеечем в10 разпревышаластоимость электронныхламп).

Вторым событием в сфере электроники, возможно менее глобальным, но также очень важным с технической точки зрения, было создание в 1958 г. первой интегральной схемы сотрудником Texas Instruments Джеком Килби и ее усовершенствование, позволившее начать их массовое производство Джином Херни и Робертом Нойсом. Инженеры окрестили эти устройства интегральными

111

микросхемами (ИМС), но чаще их называют чипами (Chip – щепка); это явилось началом эпохи миниатюризации в электронике.

Джек Килби также получил Нобелевскую премию, правда, уже в новом столетии за исследования в сфере нанотехнологии.

И, наконец, третьим важнейшим событием в развитии электроники, ориентированной на компьютерную технику, является разра-

ботка 34-летним сотрудником фирмы Intel (Integrated electronics)

Эдвардом Хоффом в 1970 г. микропроцессора – интегральной схемы (Chip), реализующей функции центрального процессора компьютера. Этот процессор получил название Intel 4004, имел размер 3х4 мм и включал 2250 транзисторов (степень интеграции 2250). Эта работа велась в рамках разработки микрокалькулятора по заказу японцев.

Хотя изучают и разрабатывают микропроцессоры специалисты по электронной технике, ясное представление об этих устройствах необходимо иметь сегодня любому пользователю вычислительной техники по ряду причин. Именно микропроцессоры обеспечили появление микрокомпьютера, персональных компьютеров, рабочих станций, серверов и суперсерверов и привели к кардинальным изменениям в архитектуре суперкомпьютеров, о чем говорилось ранее. Для рядового пользователя возможности его ПК в значительной степени определяются типом используемого микропроцессора.

Микропроцессор (МП) – изготовленный при помощи технологии высокой степени интеграции прибор, который способен выполнять под действием программного управления функции центрального процессора компьютера. Появление микропроцессоров связано со стремлением конкурирующих фирм, изготовляющих электронную технику, создать более универсальную систему логических элементов на базе новых технологий. Области распространения МП значительно превзошли самые оптимистические предположения разработчиков. Уже в 1977 г. около 35 зарубежных фирм выпускали более 50-ти типов МП. За сравнительно небольшой промежуток времени в технологии производства МП был достигнут колоссальный прогресс. К концу 2000 г. степень интеграции МП превысила*

* Закон Мура. В 1965 г. Гордон Мур, один из основателей компании Intel, заметил закономерность: число транзисторов на единицу площади в компьютерных чипах удваивается каждые полтора года.

112

400 млн при количестве контактов около 500 и рассеиваемой мощности более 100 Вт, а в 2004 г. фирма IBM выпустила RISCпроцессор POWER-5, имеющий 5370 контактов. Разрядность процессоров выросла с четырех до шестидесяти четырех. Считается, что разработчики электронной техники совершили экономическое чудо: если в начале 60-х годов транзистор стоил около 20 дол., то, если мысленно выделить такой элемент в 80-е годы из интегральной схемы, он уже стоит около 0,0000002 дол.

Можно выделить два направления применения МП:

1)МП используются в комплексе схемных элементов в виде микрокомпьютера, т.е. системы, собранной на одной или нескольких платах и содержащей МП, ОП и блоки (модули) ввода-вывода; имеется возможность применять эту систему самостоятельно совместно с обычными периферийными устройствами;

2)МП представляет семейство больших интегральных схем (БИС), встраиваемых как интегральное целое в создаваемую систему по усмотрению инженера-проектировщика.

До 1978 г. МП в основном применялись в информационноизмерительных и управляющих системах и, хотя интерес к ним был очень велик, тем не менее, они использовались относительно небольшим кругом высококвалифицированных специалистов по электронике и программированию. Однако появление в 1978 г. 16-разрядного МП фирмы Intel-8086 открыло новую эру в использовании МП – эру персональных компьютеров. Это была минимальная разрядность машинного слова для универсальных компьютеров, используемая в самых распространенных по тем временам (из наиболее доступных) мини-компьютерах.

МП можно классифицировать еще по ряду признаков. По конструкции МП подразделяются:

на однокристальные, в которых, как правило, вся логика размещается в одном кристалле, они имеют постоянную разрядность и постоянный набор команд (по разрядности они могут быть 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядными);

на процессорных элементах (секционированные или с наращиваемой разрядностью), в которых разрядность и система команд может изменяться и определяться в процессе разработки применительно к той прикладной области, где будет использоваться данный

113

МП (ввиду узкой специализации производительность этих систем может быть очень высокой).

Наибольшее распространение в настоящее время получили однокристальные МП.

Архитектура МП повторяет те наработки, которые применялись еще в суперкомпьютерах, и о которой по тем временам не было принято говорить в среде пользователей, далеких от этих проблем. Основные направления в развитии архитектуры следующие:

специализация процессоров, многофункциональная, поточная обработка (появление сопроцессоров, графических процессоров и т. п., встроенных в кристалл МП);

расслоение памяти и появление встроенной кэш-памяти; параллельная обработка (как временное, так и пространственное

распараллеливание); конвейерная обработка (на уровне микрокода);

аппаратная реализация наиболее распространенных команд; реализация возможности работы в многопроцессорных систе-

мах.

Можно выделить два основных типа архитектуры (постепенно сближающиеся), на базе которых разрабатываются два типа МП, имеющие различные направления использования: CISC и RISC.

CISC (Complex Instruction Set Computing) – архитектура с пол-

ным набором машинных команд; лидером в разработке таких МП является фирма Intel, хотя основоположником этой архитектуры можно считать фирму IBM с ее базовой архитектурой IBM 360, используемой с 1964 г.

RISC (Reduced Instruction Set Computing), или архитектура с уп-

рощенным набором команд, используется для мощных рабочих станций, серверов и суперсерверов. Эта архитектура уходит корнями к компьютерам фирмы CDC при участии в разработке Сеймура Крэя. Применительно к микропроцессорам эти разработки связывают с научными центрами в Беркли и Стэнфорде, фирмой IBM и с именем Дэвида Паттерсона. Хотя следует отметить, что в разработанном в СССР суперкомпьютере «Эльбрус» использовались идеи RISC-архитектуры намного раньше.

В основе RISC-архитектуры лежит установленное разработчиками правило «80 – 20», которое гласит, что 80 % инструкций процессора (традиционной CISC-архитектуры) используется програм-

114

мами лишь 20 % времени, в то время как на 20 % относительно простых команд приходится львиная доля работы – 80 %. Таким образом, большая часть инструкций, занимая значительную часть кристалла, используется крайне неэффективно.

Основные принципы RISC-архитектуры следующие: упрощенный и фиксированный набор команд с аппаратной реа-

лизацией выполнения вместо микропрограммной; представление сложных команд в виде набора простейших, вы-

полнение их (по возможности) за один цикл при использовании конвейерной обработки;

инструкции микропроцессора оперируют с данными, хранящимися только во внутренних регистрах, для загрузки данных из оперативной памяти и выгрузки результатов вычислений из регистров предусмотрены специальные команды, выполняемые отдельными функциональными блоками микропроцессора (т.е. нет потерь времени на поиск и загрузку данных и команд);

состав инструкций микропроцессора оптимизирован для языков высокого уровня (например, С).

Все это создает повышенную надежность, технологичность, экономичность и возможность повышения производительности (в 2 – 4 раза).

За последнее время подавляющее число RISC-процессоров стали суперскалярными, т.е. на нескольких конвейерах в каждом такте обрабатывается несколько инструкций и выдается несколько результатов. Задача распараллеливания решается на системном уровне, не затрагивая работу прикладных программистов. В одном из вариантов это решается на аппаратном уровне (Alpha-процессор фирмы DEC), и удается выполнить до четырех инструкций одновременно. Другой вариант связан с так называемой VLIW-архитектурой (Very Long Instruction Word), где работу по распараллеливанию осуществляет транслятор. При обработке такого типа три или более команды (на уровне трансляции) объединяются в одно слово. Затем выбранные команды обрабатываются одновременно. При этом порядок выполнения команд должен контролироваться самым тщательным образом (за этим следит транслятор). В процессорах такого типа может выполняться до десяти и более команд одновременно. Некоторым усовершенствованием этого подхода является EPIC-

архитектура (Explicitly Parallel Instruction Computing – вычисления с

115

явным параллелизмом команд). Развитие этих двух типов архитектуры (CISC и RISC) привело к их сближению. Все современные CISC-процессоры имеют внутреннюю RISC-архитектуру. В то же время набор команд в некоторых RISC-процессорах может превышать количество команд в CISC.

МП очень часто классифицируют и по технологии, при этом развитие технологии увязывается с минимальными расстояниями между отдельными схемными элементами внутри кристалла, измеряемыми в долях микрометра (мкм). Уменьшение размеров формируемых на полупроводниковом кристалле элементов приводит к возрастанию производительности (за счет более высоких частот) и достижимой степени интеграции, а также снижению потребляемой мощности (из-за уменьшения напряжения питания) и стоимости (из-за уменьшения размеров кристалла на одной пластине формируется большее количество процессоров). В конце 90-х годов стандартной стала технология с 0,25 мкм, которая обеспечивает тактовые частоты 400 – 600 МГц, переход на технологию 0,18 мкм обеспечивает тактовые частоты от 600 – 800 МГц и выше. В 2001 – 2002 гг. переход на технологию 0,13 мкм обеспечит тактовые частоты выше 1 ГГц.

Лидером в разработке CISC-процессоров считается компания Intel со своей серией процессоров Х 86, являющейся основой самых распространенных в мире ПК. К 2000 г. Intel выпустил шесть поколений процессоров этой серии. Приведем краткие характеристики этой серии без детальных характеристик моделей внутри серии.

C 2000 г. Intel перешел на новую архитектуру – процессоры седьмого поколения – Pentium 4 с начальной тактовой частотой 1,3 – 1,5 ГГц, которая к 2005 г. превысила 3 ГГц с техпроцессом менее 0,1 мкм, степень интеграции 42 млн.

Последние процессоры х86 архитектуры перестали быть CISC, но и RISC в полном понимании не стали (подобный переход не обеспечит сохранения обратной совместимости с существующим программным обеспечением), поэтому их можно классифицировать как псевдо RISC.

При разработке своих МП Intel большое значение придает мультимедийным приложениям. Последние версии процессоров пятого поколения (Р5) обозначались как ММХ (Multi Media Extention) и включали пятьдесят семь инструкций для выполнения операций

116

целочисленной арифметики в режиме SIMD с применением конвейерной обработки на уровне микрокода. Поскольку трехмерная графика требует быстрой арифметики с «плавающей точкой», в процессорах 6-го поколения (Р6) были включены 70 инструкций в режиме SIMD для арифметики с «плавающей точкой», а процессоры 7-го поколения Pentium 4 (SSE2) уже имели 144 подобных инструкций. Названия этого направления в разработке МП также из-

менялись ММХ → ММХ2 → KNI → SSE1 → SSE2 и SSE3 и SSE4 (SSE-SIMD Stream Eхtention).

Всостав последних процессоров включен генератор истинно случайных чисел, который очень важен в большом количестве приложений.

Всвязи с ростом производительности и внутренней частоты МП нарастает отставание частоты внешней шины процессора FSB (Front Side Bus), к которой подключается ОП и внешний кэш, в процессорах 7-го поколения предусмотрена размещенная в кристалле шина ВSB (Back Side Bus), обеспечивающая работу встроенного в кристалле кэша первого уровня на внутренней частоте процессора. Перспектива развития технологии МП Intel по прогнозу фирмы на 2015 г. следующая:

достичь 0,01 мкм по техпроцессу; достичь производительности процессора 1 трлн оп./с (произво-

дительность МП-Р6 – 2 млрд оп./с); обеспечить степень интеграции 2 млрд транзисторов на кри-

сталл; достичь тактовой частоты 30 ГГц.

На табл. 3.1 представлена динамика и перспективы изменения технологий наиболее распространенных МП фирмы Intel.

Конструктивно процессоры в зависимости от класса компьютера выпускаются в двух вариантах:

Slot – модульной конструкции с дискретными (внешними, не встроенными в кристалл) схемами (печатная плата с краевыми разъемами);

Socket, т.е. с интегрированной в кристалл кэш-памятью второго уровня (процессор, вставленный в соответствующий разъем на печатной плате).

117

Все последние процессоры фирмы Intel имеют внутреннюю RISC-архитектуру. Что касается других фирм-производителей CISC-процессоров для ПК, то с определенного момента времени они отказались oт собственных оригинальных разработок, не выдержав конкуренции с фирмой Intel. Такие фирмы, как AMD, Cyrix, UMC, Texas Instruments производят аналоги процессоров фирмы Intel, которые иногда превосходят оригиналы по определенным параметрам. Хотя в последнее время основная конкурентная борьба в этом классе процессоров развивается (с переменным успехом) между Intel и AMD. К 2009 г. МП фирма Intel имели значительно лучшие показатели. RISC-процессоры применяются, главным образом, для мощных рабочих станций, серверов и суперсерверов, а также для производства суперкомпьютеров. Производят эти процессоры фирмы – традиционные производители компьютеров: IBM, HP, Sun и др.

RISC-процессоры этих фирм применяются для серверов среднего и высшего уровней, а также для суперкомпьютеров. Среди особенностей этих МП следует отметить развитую иерархию кэшпамяти. В современных серверных системах количество уровней кэш-памяти может доходить до четырех, хотя наиболее часто используется трехуровневая схема. При этом все три уровня могут располагаться внутри кристалла (МП). Первый уровень кэш часто разделяется на кэш-команд (I-Cach) и кэш-данных (D-Cach). Вторая характерная особенность этих МП – способность работы в многопроцессорных системах различной топологии. Эти системы обеспечивают наиболее эффективное масштабирование по производительности, позволяют минимизировать дублирование вспомогательных систем машины (в отличие от кластеров – контроллеров ввода-вывода, дисковых массивов и т.п.), дают максимальную удельную производительность при пересчете на один ЦП. Все разрабатываемые в настоящее время специализированные процессоры имеют RISC-архитектуру. Это как процессоры, предназначенные для установки в мощные рабочие станции, сервера и суперсервера, так и миниатюрные сверхдешевые процессоры, предназначенные для работы в мобильных устройствах, различных электронных системах, окружающих нас повсеместно. Например, RISC-процессор A Ttiny 13 производства фирмы Atmel работает на частоте 20 МГц. Имеет всего восемь контактов и стоит меньше одного доллара.

119

Процессоры, устанавливаемые в суперкомпьютеры, производят традиционные производители серверов: IBM, HP, Sun и др.

Транспьютеры – необычный вид RISC-процессоров. Слово «транспьютер» – синтез двух слов: транзистор + компьютер. Транспьютер рассчитан на работу в мультипроцессорных системах с однотипными процессорами и аппаратной поддержкой вычислительных процессов. Особенностью транспьютеров является наличие коммуникационных, быстрых каналов связи (четырех на каждую схему), при этом каждый канал может одновременно передавать данные по одной магистрали в МП, а по другой – из него.

Однако в связи с разработкой МП RISC, способных работать в многопроцессорных системах, появлением многоядерных МП и кластерных систем актуальность в транспьютерах отпала.

Современное состояние и тенденции в развитии МП (в том числе и МП серии х86 см. табл. 3.1) определяются темпами развития технологии. Как указывают представители фирмы Intel (лидера производства МП), закон Мура будет действовать еще, как минимум, 10 лет. За это время (с начала 2008 г.) компания освоит технологические порты 32, 24, 15 и даже 10 нм, что позволит значительно повысить степень интеграции 1 млрд транзисторов на кристалл. Разговоры о том, что же делать с таким огромным количеством транзисторов в кристалле (т.е. об архитектуре МП), похоже, пришли к своему естественному логическому завершению. Будет продолжена тенденция, связанная с дальнейшим развитием функциональных возможностей МП, начавшаяся с появления первых МП фирмы Intel, устанавливаемых в ПК IBM.

Включение в состав МП аппаратно-реализованной арифметики (сопроцессоров), кэш-памяти (вначале первого уровня, а затем и последующих), контроллеров ОП шины BSB и т.п. завершилось созданием так называемых многоядерных процессоров. Практически это означает размещение в одном кристалле нескольких процессоров, имеющих ряд общих функциональных блоков с дальнейшим переходом на полноценные многопроцессорные системы (однокристальные). По-видимому, с этим связано изменение в названии новой серии процессоров Intel в 2006 г. (следующих за Pen- tium-4) Core (ядро). 2007 г. ознаменовался тем, что одноядерные МП серии x86 ушли в прошлое. Один из последних (представленных фирмой в 2008 г.) МП Core Extreme QX9770 (модели высшего

120