Сегодня центральные процессоры (ЦП) — неотъемлемая часть современной компьютерной техники, но так было не всегда. Первые «серверы» в современном понимании (мэйнфреймы) не имели ЦП как таковых. Вычислительные функции в них выполняли неспециализированные наборы системной логики (стандартные микросхемы и прочие полупроводниковые компоненты). Однако по мере развития компьютерных технологий появилась возможность создавать все более сложные микросхемы, в том числе специализированные — процессоры.
Когда появились первые персональные компьютеры и начали быстро расти их продажи (в 1970-1980-х годах), рынок серверного оборудования серьезно изменился: наметились тенденции взаимопроникновения технологий и архитектур из сегмента серверной техники в сегмент персональных компьютеров, и наоборот. Не стали исключением и ЦП: некоторые серверные модели после незначительной модернизации стали использоваться в персональных компьютерах, а ЦП, изначально разработанные для массового рынка, проникали на рынок серверов и суперкомпьютеров. Наиболее очевидная причина этого — экономический фактор: параллельная разработка двух или более процессорных архитектур может оказаться непосильной даже для довольно крупной компании, а конечная стоимость обоих решений будет значительной, что неминуемо ухудшит конкурентные возможности конечной продукции на рынке. Хотя процессорные архитектуры, ориентированные исключительно на серверы и суперкомпьютеры, до сих пор существуют, более распространены «универсальные» процессорные ядра, пригодные как для массового, так и для серверного рынка.
Общая архитектура ЦП
Функциональные устройства ЦП
Любой ЦП независимо от его предназначения располагает рядом функциональных устройств (ФУ): блоками целочисленных вычислений (Integer Execution Unit, E-box, арифметико-логическое устройство), обработки адресов (Address Translation Unit, A-box), контроллером системной шины (System Bus Controller, B-box), декодером команд (Instruction Decoding Unit, I-box). Для проведения вычислений и хранения промежуточных результатов используется так называемый файл регистров (их может быть несколько), состоящий из фиксированного количества записей определенной длины (регистров). Практически во всех современных ЦП реализованы и средства предсказания направления условных переходов. С начала 1990-х гг. общепринятой стала практика внедрения в ядро ЦП блока вещественных вычислений (Floating-Point Unit, F-box). Если дизайн определенной аппаратной платформы предполагал использование кэш-памяти с прямым доступом, то в ЦП вводился блок взаимодействия с кэш-памятью (Cache Memory Interface Unit, C-box). В современных ЦП нередко также реализованы контроллеры памяти, периферийных шин и т. д.
Набор команд ЦП
В зависимости от представления команд процессоры принято делить на RISC (Reduced Instruction Set Computing, вычисления при помощи ограниченного набора команд) и CISC (Complex Instruction Set Computing, вычисления при помощи расширенного набора команд). В настоящее время «чистокровных» представителей того или иного семейства встретить все труднее — у большинства ЦП есть черты обеих архитектур.
Архитектура RISC появилась как попытка избавиться от недостатков, присущих CISC-процессорам. В 1970-х гг. были проведены исследования, которые показали, что около 20% всех команд CISC-процессора занимают при выполнении около 80% всего процессорного времени, а остальные 80% команд — оставшиеся 20%, т. с. налицо явный дисбаланс — некоторые команды остаются практически невостребованными. В то же время каждая дополнительная команда в наборе увеличивает стоимость ЦП, поскольку для ее выполнения в процессоре должны быть соответствующие исполнительные блоки. Возникла идея свести набор команд к минимуму, зафиксировать их длину для удобства декодирования, а непосредственный доступ к памяти (загрузку данных в регистры ЦП из памяти и копирование из регистров в память) разрешить лишь некоторым из них. Это позволило получить компактное ядро ЦП, способное работать на более высоких частотах при неизменных проектных нормах.
Естественно, что и у RISC, и у CISC есть свои достоинства. RISC обеспечивает эффективную суперскалярность (параллельность) вычислений функциональными устройствами ЦП и большее количество выполненных команд в расчете на один такт ЦП. CISC предполагает более эффективную работу ЦП при небольшом числе функциональных устройств и наличии не более чем одного конвейера в расчете на функциональное устройство (при увеличении количества конвейеров прирост производительности оказывается небольшим из-за ограничений, налагаемых декодером команд).
ЦП архитектуры х86: CISC или RISC?
Процессоры архитектуры х86 изначально имели CISC-архитектуру, но со временем стали приобретать свойства RISC. Ядра этих ЦП претерпели кардинальные изменения: они стали проектироваться во многом по принципам RISC, но в то же время для сохранения совместимости с существующим программным обеспечением снаружи в ЦП все так же поступали обычные команды CISC. Для того чтобы такая модель ЦП оказалась работоспособной, требуется обязательное внутреннее преобразование CISC-команд в одну или несколько RISC-команд, непосредственно выполняющихся ядром ЦП.
Такой подход помог улучшить суперскалярность вычислений (когда команды разного рода одновременно обрабатываются на разных конвейерах ФУ) и облегчить их конвейеризацию в целом, но не избавил архитектуру от всех недостатков, главный из которых — неудобство параллельного декодирования команд CISC, имеющих разную длину: невозможно определить начало следующей команды до завершения декодирования предыдущей.
Первым из ЦП архитектуры х86, спроектированным с RISC-ядром, стал уже забытый Nx586 компании NexGen, представленный в марте 1994 г. В ноябре 1995 г. появился Pentium Pro компании Intel, а в марте 1996-го — AMD К5, построенный на базе модернизированной фирменной архитектуры 29К.
CISC-процессоры архитектуры х86 еще некоторое время выпускались, преимущественно Intel (Pentium и Pentium MMX) и Cyrix (6x86 и 6х86МХ/6х86МП), но дни их были сочтены. В последующие годы архитектура Intel P6, в основу которой лег вышеупомянутый Pentium Pro, продолжала экстенсивно развиваться, а позже ее сменила архитектура NetBurst.
В апреле 1997 г. AMD выпустила Кб, основанный на RISC-ядре Nx686 (NexGen была поглощена AMD в начале 1996 г.), и развивала этот модельный ряд до 2000 г., невзирая на отставание в производительности от архитектуры Intel P6. В апреле 1999 г. AMD представила новый ЦП К7, получивший официальное название Athlon, и успешно продолжает развивать его архитектуру и по сей день — ядро К8 (Athlon 64, Athlon 64 FX, Opteron) представляет собой эволюционное развитие ядра К7. Подводя итоги вышесказанному, можно сделать вывод, что ЦП архитектуры х86 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.
Концепция VLIW
Интересная разновидность подхода RISC — концепция VLIW (Very Long Instruction Word), известная также как EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing, вычисления с явной параллельностью). Ее суть — эффективное распределение нагрузки методом «примитивный ЦП — умный компилятор»: ЦП располагает большим количеством конвейеров функциональных устройств, работающих параллельно, а всю работу по формированию эффективного потока команд выполняет компилятор. Соответственно, алгоритмы и блоки внеочередного выполнения (out-of-order execution) не используются совсем. Декодер ЦП производит выборку из потока «связок» команд, а планировщик направляет их в очереди на нужные функциональные устройства.
Наиболее известные представители этого подхода — процессоры Crusoe и Transmeta Efficeon, а также Intel Itanium и Itanium 2.
Кэш-память в ЦП
Статическая и динамическая память
В каждом современном ЦП предусмотрено некоторое количество статической памяти, работающей на частоте ядра. Именно статической, поскольку использование динамической памяти в этих целях представляется крайне нерациональным.
Одна ячейка статической памяти состоит из шести транзисторов и двух резисторов (для техпроцессов с проектными нормами до 0,5 мкм могли быть использованы только четыре транзистора на одну ячейку, с дополнительным слоем поликремния и с более жесткими ограничениями по максимальной тактовой частоте), в то время как аналогичная структура динамической памяти состоит из одного транзистора и одного конденсатора. Быстродействие статической памяти намного выше (емкость, используемая в динамической памяти, имеет определенную скорость зарядки до требуемого уровня, определяющую «частотный потолок»), но из-за большего количества составляющих элементов она существенно дороже в производстве и отличается более высоким энергопотреблением. Битовое значение ячейки статической памяти характеризуется состоянием затворов транзисторов, а динамической — уровнем заряда конденсатора. Так как конденсаторы имеют свойство с течением времени разряжаться, то для поддержания их состояния требуется регулярная перезарядка (для современных микросхем динамической памяти — приблизительно 15 раз в секунду). Кроме того, при операции чтения из ячейки динамической памяти конденсатор разряжается, т. е. ячейка утрачивает свой первоначальный заряд, а следовательно должна быть перезаряжена.
Очевидно, что статическая память используется там, где требуется максимальное быстродействие (регистры ЦП, кэш-память, локальная память сигнального процессора), а динамическая — там, где приоритетом является объем, а не скорость чтения-записи (оперативная память, буферы периферийных устройств).
Причины внедрения кэш-памяти
Явная необходимость в кэш-памяти при проектировании массовых ЦП проявилась в начале 1990-х гг., когда тактовые частоты ЦП значительно превысили частоты системных шин, и, в частности, шины памяти. В настоящее время частоты серверных ЦП достигают почти 4 ГГц, а оперативной памяти, массово применяемой в серверах, — только 400 МГц (200 МГц с удвоением благодаря передаче по обоим фронтам сигнала). В этой ситуации при прямом обращении к памяти функциональные устройства ЦП значительную часть времени простаивают, ожидая доставки данных. В какой-то мере проблемы быстродействия оперативной памяти могут быть решены увеличением разрядности шины памяти, но даже в серверах младшего уровня нередко встречается 8-16 гнезд для модулей памяти, поэтому такое решение усложняет дизайн системной платы. Проложить же 256- или даже 512-бит шину к расположенной внутри кристалла ЦП кэш-памяти сравнительно несложно. Таким образом, эффективной альтернативы кэш-памяти в современных высокопроизводительных системах не существует.