Исследование архитектуры современных микропроцессоров и вычислительных систем (стр. 13 из 14)
Команды мультимедийной обработки задают в режиме SIMD-процессора параллельную обработку нескольких единиц данных, представленных, как правило, малоразрядными (8, 16, 32) числами в формате с фиксированной точкой. Однако это не исчерпывает всех текущих потребностей и, например, в Pentium III введена параллельная обработка в режиме SIMD-процессора четырех 32-разрядных операндов в формате с плавающей точкой.
3.4 Интеграция функций
3.4.1 Системы на одном кристалле
С ростом количества транзисторов на кристалле стало возможно построение микросхем, в которых микропроцессор вместе с памятью на кристалле выступает в роли одного из составных элементов (ядер) систем на одном кристалле (SOC — system on chip). В кристалле интегрируются функции, для исполнения которых обычно используются наборы микросхем, сетевые платы и другие специализированные микросхемы. Это, с одной стороны, позволяет существенно увеличить пропускную способность между компонентами кристалла по сравнению с пропускной способностью между разными кристаллами, реализующими по отдельности каждую функцию. И, как следствие, поднять производительность систем. С другой стороны, при уменьшении количества кристаллов резко упрощается изготовление и монтаж плат, что ведет к повышению надежности и снижению стоимости систем.
В кристалл интегрируются интерфейсы сетевых и телекоммуникационных систем, что позволяет без дополнительных адаптеров соединять микропроцессоры друг с другом, с телекоммуникационными и вычислительными сетями. Интеграция коммуникационных интерфейсов в кристалл микропроцессора была впервые проделана в транспьютерах. Однако это были упрощенные интерфейсы, позволяющие связываться лишь с другими транспьютерами. В процессорах Motorola MPC8260 поддерживается уже множество телекоммуникационных протоколов, включающих, например, 10/100 Mбит/с Ethernet, 155 Mбит/с ATM, 256 каналов 64 Кбит/с HDLC. Компания Motorola предлагает два семейства кристаллов, в которых в качестве ядра используется PowerPC 603e – это семейство на основе технологий AltiVec и PowerQUICC.
3.4.2 Системы с распределенной разделяемой памятью
Ориентация разработчиков на создание систем с распределенной разделяемой памятью привела к интеграции в кристалл блока управления когерентностью многоуровневой памяти на кристалле и распределенной внешней памяти, доступ к блокам которой выполняется через интегрированную в тот же кристалл коммуникационную среду. В качестве примеров этого подхода можно назвать микропроцессоры Alpha 21364, Power4, а также Blue Gene. В качестве ядра у микропроцессора Alpha 21364 используется Alpha 21264, но на кристалле интегрированы: шестивходовый частично ассоциативный кэш второго уровня емкостью 1,5 Мбайт; контроллер памяти, поддерживающий работу с динамической памятью Direct Rambus; сетевой интерфейс.
Рисунок 3.2 - Архитектура микропроцессора Alpha 21364
Для динамического исполнения в микропроцессоре Alpha 21364 (рис.3.2) рассматриваются сразу 80 команд – больше, чем у любого другого процессора. После декодирования команда помещается в очередь к устройствам с фиксированной или плавающей точкой. Команды, получившие все операнды, конкурируют за доступ к функциональным устройствам: двум блокам операций с плавающей точкой, выполняющим сложение, умножение, деление, извлечение квадратного корня и четырем целочисленным устройствам (двум общего назначения и двум адресной арифметики). Последние наряду с простыми арифметическими и логическими операциями выполняют все команды загрузки и сохранения как целочисленных данных, так и данных в формате с плавающей точкой. Целочисленные АЛУ общего назначения выполняют арифметические и логические операции, сдвиги и переходы. Одно из целочисленных АЛУ выполняет также умножение, а другое – новый набор команд обработки видеоданных. Для динамического переименования доступны 41 из 80 целочисленных регистров и 41 из 72 регистров с плавающей точкой.
Обмен данными между кэшами первого и второго уровня, кэшем первого уровня и оперативной памятью буферизирован (по 16 буферов для каждого уровня памяти).
Интеграция компонентов в одном кристалле позволяет существенно упростить и удешевить системы, реализуемые на основе данного микропроцессора. Благодаря встроенному сетевому интерфейсу упрощается объединение микропроцессоров в высокопроизводительные многопроцессорные системы. Сетевой интерфейс поддерживает 4 межпроцессорных соединения типа «точка-точка» со скоростью передачи данных 10 Гбайт/с каждый при задержке 15 нс. Сетевой интерфейс обеспечивает когерентность кэшей в многопроцессорной системе и реализует асинхронный обмен данными с адаптивной маршрутизацией. Пример структуры многопроцессорной системы на основе микропроцессоров Alpha 21364 показан на рис. 3.3:
Рисунок 3.3 - Пример структуры многопроцессорной системы
Микропроцессор имеет пятый порт – ввода-вывода, работающий на скорости обмена 3 Гбайт/с.
Процессоры Alpha 21364 и Power4 объединяет общность архитектурных решений: суперскалярная микроархитектура, внеочередное исполнение команд, большая кэш-память на кристалле, специализированный порт для основной памяти, а также высокоскоростные линки для объединения микропроцессоров в системы с архитектурой NUMA с распределенной разделяемой памятью (distributed shared memory — DSM).
Каждый процессор Power4 (рис. 3.4) подобен Power3 и имеет два конвейерных блока для работы с 64-разрядными операндами с плавающей точкой на частоте 1 ГГц, выбирающих на исполнение по 5 команд каждый и 2 блока для работы с памятью. В процессорах реализуется внеочередное исполнение команд. Микропроцессор реализован на кристалле, содержащем 170 млн. транзисторов. Для достижения тактовой частоты 1,1 ГГц стадии конвейеров имеют задержку 8-10 вентилей.
Процессоры содержат раздельные кэш-памяти команд и данных первого уровня емкостью по 64 Кбайт каждая. Кроме того, имеется разделяемая (общая) кэш-память на кристалле второго уровня и внешняя кэш-память третьего уровня. Для образования мультипроцессорных конфигураций имеются 3 линка с суммарной пропускной способностью 45 Гбайт/с.
Рисунок 3.4 - Архитектура Power4
Наряду с параллелизмом уровня команд (ILP), процессор использует параллелизм уровня тредов (TLP). Динамическое выявление параллелизма позволяет предотвращать простои процессора при трудно выявляемых статически исключительных ситуациях, например, промахе в кэш-памяти. Power4 изготавливается по 0,18-микронной технологии SOI («кремний на изоляторе») с медными проводниками и 5 слоями металла на кристалле площадью 400 мм2.
Отличительная особенность Power4 – наличие кэш-памяти второго уровня, разделяемой двумя процессорами кристалла, а также внешними процессорами других кристаллов через линки шириной 16 байт, работающие на тактовой частоте более 500 МГц, что обеспечивает пропускную способность свыше 8 Гбайт/с. Суммарная пропускная способность 4 линков составляет более 35 Гбайт/с. При объединении 4 кристаллов и их размещении, как показано на рис. 3.5, проводники линков могут быть достаточно короткими и, что важно, прямыми.
Рисунок 3.5 - Пример объединения Power4 в фрагмент многопроцессорной системы
Физически кэш-память второго уровня емкостью около 1,5 Мбайт состоит из трех одинаковых блоков, доступ к которым выполняется через коммутатор с пропускной способностью на уровне 100 Гбайт/с. Протокол когерентности обеспечивает размещение данных, поступивших по линкам, в том блоке кэш-памяти, который использовался для размещения данных последним.
Порт кристалла Power4, предназначенный для подключения кэш-памяти третьего уровня емкостью до 32 Мбайт имеет ширину 16 байт для каждого из двух направлений пересылки данных. Порт функционирует на 1/3 от тактовой частоты процессоров кристалла, что обеспечивает пропускную способность к памяти на уровне 10 Гбайт/с. Теги кэш-памяти третьего уровня расположены внутри кристалла, что ускоряет реализацию протокола когерентности. Для работы с основной памятью может быть использована восьмипоточная программная предвыборка данных непосредственно в кэш-память первого уровня на кристалле. Пересылать можно одновременно до 20 строк кэша.
Каждый из двух процессоров Power4 имеет систему команд IBM ISA, реализованную в RS/6000 и AS/400 и полностью совместимую с системой команд Power PC. Сохранение системы команд, вызванное поддержкой двоичного кода пользователей, потребовало применения как однотактных команд, так и микропрограмм и даже прерываний для программной реализации наиболее сложных команд ISA.
3.5 Однокристальные мультитредовые и мультискалярные системы
Современные микропроцессоры, например, Alpha 21264 и Pentium III, относятся к однотредовым, использующим параллелизм уровня команд, выявляемый либо статически (компилятором), либо динамически (аппаратурой микропроцессора), либо комбинацией этих двух методов. Параллелизм уровня тредов при использовании этих микропроцессоров может быть выявлен только статически. Динамическое выявление параллелизма уровня тредов в рамках архитектур однотредовых процессоров практически невозможно, так как требует просмотра большого количества команд на предмет их одновременного исполнения – расширения окна исполнения. Это влечет за собой усложнение логических схем управления внеочередным исполнением команд, что может привести к снижению тактовой частоты микропроцессора. Для разрешения данного противоречия предлагаются мультитредовые и мультискалярные микропроцессоры.
3.5.1 Основы мультитредовой архитектуры
При всем различии подходов к созданию мультитредовых микропроцессоров, общим для них является введение множества устройств выборки команд, каждое из которых организует окно исполнения для одного треда. В рамках одного треда выполняется предсказание переходов, переименование регистров, динамическая подготовка команд к исполнению. Тем самым, общее число команд, находящихся в обработке, значительно превышает размер окна исполнения однотредового процессора, с одной стороны, и тактовая частота не лимитируется размером окна исполнения, с другой стороны.