История процессоров Intel

Процессоры Intel в своем развитии прошли довольно сложный и насыщенный различными событиями путь. Корпорация Intel была основана в 1968 г. Первый процессор i4004 был разработан Intel в 1969 г. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство с 2300 транзисторами. Его возможности были сильно ограничены — он выполнял всего лишь четыре основные арифметические операции. Поначалу i4004 применялся в карманных калькуляторах. Позднее сфера его использования была расширена за счет различных систем управления, в частности, систем управления светофорами.

В 1972 г. был выпущен 8-разрядный процессор i8008 с адресацией внешней оперативной памяти размером 16 Кбайт. Неожиданный успех этого процессора подтолкнул разработчиков Intel к дальнейшим изысканиям. В 1974 г. был выпущен i8080, который, оставаясь 8-разрядным, мог адресовать 64 Кбайт оперативной памяти. Для того времени это было революцией, этот процессор был выпущен в миллионах экземпляров. Историю современных Intel-совместимых процессоров принято вести именно от i8080.

Очередной революционный процессор Intel — i8086 — появился в 1978 г. Его основные характеристики — наличие 16-разрядных регистров, 16-разрядной шины данных. Поддержка сегментной организации памяти наряду с 20-разрядной шиной адреса позволяла организовать адресацию памяти в пределах 1 Мбайт при доступности адресного пространства размером 256 Кбайт. С целью занятия более широкой ниши на рынке Intel вскоре представила более дешевый вариант этого процессора — i8088. При внутренней 16-разрядной архитектуре i8086 он имел 8-разрядную шину данных, вследствие чего был менее производителен. Важно отметить, что дешевизна достигалась в основном не за счет дешевизны самого процессора, а за счет удешевления конечного продукта — компьютера на его основе. Другой причиной появления и широкого распространения i8088 было наличие большого количества 8-разрядных внешних устройств. 8-разрядная шина данных i8088 позволяла упростить процесс сопряжения с этими устройствами. Отметим, что одним из внешних устройств, поддерживаемых процессорами i8086/88, был математический сопроцессор i8087, который мог устанавливаться в специальный разъем материнской платы. Это позволяло более эффективно выполнять операции с плавающей точкой в соответствии со стандартом IEEE-754. Важно также подчеркнуть, что, начиная с i8086/88, все процессоры Intel совместимы «снизу вверх». Следствием этого является гарантированная возможность запуска на современном процессоре Pentium практически любой программы, написанной для i8086/88 (естественно, при соответствующей поддержке системного программного обеспечения).

Согласно известному закону, программное обеспечение (software), подобно газу, стремится заполнить весь доступный ему объем. Поэтому поначалу кажущиеся фантастическими возможности новых процессоров со временем становятся узами, тем самым подталкивая конструкторов процессоров искать новые архитектурные и технологические решения для перевода программ в новые, более свободные рамки существования. Оперативная память объемом 1 Мбайт — это много. Долгая жизнь процессоров i8086/88 подтверждает это. Но с течением времени даже такой объем памяти превратился в ограничение, в связи с чем стали применяться различные технологии для обхода этого ограничения. Многие, наверное, еще помнят загрузку MS-DOS с драйверами расширенной памяти EMS (Expanded Memory Specification), с помощью которых через окно размером 64 Кбайт можно было обращаться к внешней дополнительной памяти размером до 32 Мбайт. Но это не могло продолжаться вечно, и в 1982 г. Intel представляет процессор i80286. И хотя он не решил окончательно проблему ограничения пространства памяти, в нем были реализованы определенные архитектурные изменения, благодаря которым последующие модели процессоров позволили разрядить ситуацию с доступом к памяти. К главным нововведениям следует отнести расширение шины адреса до 24 битов, что позволило адресовать уже 16 Мбайт оперативной памяти, а также появление еще одного режима работы процессора — защищенного. В этом отношении данный процессор также можно считать революционным. До этого в процессорах Intel отсутствовала поддержка на процессорном уровне какой-либо защиты программ от взаимного влияния. Введение подобных средств в архитектуру процессоров Intel стимулировало производителей на разработку многозадачных операционных систем. Наиболее яркие примеры — Microsoft (OC Windows) и IBM (OS/2). Справедливости ради следует отметить, что доминирующей системой для i286 была MS-DOS, и данный процессор использовался как более быстрый вариант i8086/88. Для широкого распространения многозадачные системы должны были пройти определенный путь развития.

Мощным стимулом к развитию многозадачных систем стали возможности, предоставляемые новым процессором i80386, выпущенным Intel в 1985 г. Это был первый 32-разрядный процессор, который положил начало семейству процессоров IA-32 (32-bit Intel Architecture). Главные отличительные особенности: 32-разрядные шины адреса и данных (адресация оперативной памяти — до 4 Гбайт); увеличенная до 32 битов разрядность внутренних регистров процессора; введение третьего режима работы процессора (режима виртуального процессора 8086); поддержка страничной адресации памяти, благодаря которой стало возможном за счет дисковой памяти виртуализировать доступ к оперативной памяти и теоретически расширить ее рамки вплоть до 4 Гбайт. Аналогично ситуации с i8086 и i8088, одновременно был выпущен более дешевый вариант процессора i80386 (i80386-DX) с 16-разрядной шиной данных — i80386-SX. При необходимости на материнскую плату можно было установить и математический сопроцессор i80387. Процессор i80386 первым из семейства процессоров Intel стал поддерживать возможность параллельного функционирования своих устройств: устройства шинного интерфейса (bus interface unit), блока предварительной выборки (code prefetch unit), блока декодирования команд (instruction decode unit), исполнительного блока (execution unit), блока сегментации (segment unit), блока страничной адресации (paging unit). Концепция параллельного функционирования устройств позже, а именно в i80486, стала основой другой концепции — конвейеризации вычислений.

Процессор i80486 появился в 1989 г. Основные его характеристики — наличие встроенного математического сопроцессора, поддержка многопроцессорного режима работы и работы с двумя видами кэш-памяти — внутренней размером 8 Кбайт (1-го уровня L1) и внешней кэш-памятью (2-го уровня L2). Важные изменения в архитектуре процессора i80486 коснулись концепции параллельных вычислений. Они стали воплощением идей, лежащих в основе RISC-технологии разработки процессоров. Согласно им, машинные команды со сложным алгоритмом работы (Complete-Instuction-Set Computing, CISC) на микропрограммном уровне реализовывались на основе более простых команд из ограниченного набора (Reduced Instruction Set Computer, RISC). Для выполнения CISC-команд требуется несколько тактов работы процессора, иногда несколько десятков. RISC-команды должны выполняться за один такт. Такое изменение внутреннего представления внешних команд, наряду с изменением последовательности их выполнения и режимов декодирования, позволило реализовать реальную конвейеризацию вычислений. В результате выполнение CISC-команды происходило за один такт процессора. Конвейер процессора i80486 состоял из 5 ступеней. Начиная с процессора i80486 процессоры Intel поддерживают различные концепции энергосбережения. Интересно, что совершенствование процессора i80486 шло в ходе его промышленного производства. Вследствие этого по своим возможностям следующие по времени выпуска процессоры i80486 в большей или меньшей степени отличались от предыдущих.

Ну и, наконец, ЭПОХА PENTIUM. Знаменитый своей ошибкой блока с плавающей точкой первый Pentium — Pentium-60 — был представлен в начале 1993 г. Благодаря суперскалярной архитектуре (с двумя конвейерами, известными как u и v) он мог выполнять две машинные инструкции за один такт. К внутреннему кэшу команд добавлен внутренний 8-килобайтный кэш данных. Реализована технология предсказания переходов (branch prediction). Для увеличения пропускной способности при обработке данных процессор Pentium поддерживает внутренние пути шириной 128 и 256 битов, внешняя шина данных увеличена до 64 битов. Добавлены средства для построения многопроцессорных систем, в частности расширенный программируемый контроллер прерываний (Advanced Programmable Interrupt Controller, APIC), дополнительные выводы и специальный режим дуальной обработки (dual processing), ориентированный на построение двухпроцессорных систем. Начиная с модели процессоров Pentium с тактовой частотой 133 МГц (1997 г.) в них был введен блок MMX-команд (MMX означает MultiMedia eXtensions). Реализованный на базе сопроцессора, данный блок поддерживал SIMD-технологию, которая предполагает обработку блока однородных данных одной машинной инструкцией. Цель введения данного расширения — увеличение производительности приложений, обрабатывающих массивы однородных целочисленных данных. Примеры таких приложений — программы обработки изображений, звука, архивирования-разархивирования данных и др. Излишне говорить, что все эти нововведения резко подняли производительность процессора Pentium по сравнению с его предшественником — процессором i486 — и не оставили последнему особых альтернатив для существования.

На сегодняшний день имеется три поколения, или семейства, процессоров Pentium — Pentium, P6 и Pentium IV с микроархитектурой NetBurst. К семейству Pentium относятся упоминавшиеся ранее процессоры Pentium и Pentium MMX. История семейства P6 началась в 1995 году с появлением процессора Pentium Pro. Несмотря на схожие названия, внутренние архитектуры процессоров двух семейств были совершенно разными. Не вдаваясь в новые схемотехнические решения, реализованные в процессоре Pentium Pro, отметим его основные архитектурные свойства. Процессор поддерживал работу трех конвейеров, то есть мог обрабатывать до трех команд за один такт. Для этого использовались особые технологии обработки потока команд. Процессор Pentium Pro использовал новую технологию работы с кэш-памятью. Наряду с уже обычным внутренним кэшем первого уровня размером 8 Кбайт в одном корпусе (но не на одной микросхеме) с процессором располагалась кэш-память второго уровня размером 256 Кбайт, для связи с которой имелась специальная 64-разрядная шина, работающая на частоте процессора. Шина данных процессора Pentium Pro имела разрядность 36 бита, что позволяло при определенных условиях организовать адресацию памяти до 64 Гбайт.

Процессор Pentium II, появившийся на свет в 1997 г., добавил к архитектуре процессора Pentium Pro поддержку MMX-команд. Кроме того, были увеличены размеры кэш-памяти всех уровней — кэш-память команд и данных первого уровня выросла до 16 Кбайт каждая, кэш-память второго уровня могла иметь величину 256, 512 Кбайт или 1 Гбайт. Кэш-память второго уровня могла работать на половине частоты работы процессора. Также процессор поддерживал множество технологий энергосбережения. Следующие две модели процессоров, выпущенные в 1998 г., — Celeron и Pentium II Xeon — были, соответственно, более «легкой» и более «тяжелой» модификациями процессора Pentium II. Celeron позиционировался как процессор для построения компьютерных систем массового использования. Pentium II Xeon предназначался для построения высокопроизводительных серверных систем.

Последний процессор семейства P6 — Pentium III, — выпущен в 2000 г. Его основное отличие — поддержка дополнительного набора MMX-команд, называемых SSE-расширением (SSE — Streaming SIMD Extensions) основного набора команд процессора. Для этого в архитектуру процессора был введен специальный блок.

На сегодняшний день последним 32-разрядным процессором является Pentium IV. Он позиционируется как процессор нового поколения с новым типом микроархитектуры, носящей название NetBurst. Подробнее основные архитектурные особенности процессора Pentium IV будут рассмотрены в следующей главе при обсуждении микроархитектуры NetBurst. Отметим лишь один важный в контексте нашего обсуждения момент — с появлением процессора Pentium IV система команд процессоров Intel пополнилась еще 144 новыми командами. В основном это команды для блока MMX с плавающей точкой, а также команды управления кэшированием и памятью. Условное название этой группы команд — SSE2 (Streaming SIMD Extensions 2).

Рис. 3.2. Структура микропроцессора Intel Pentium 4.

NetBurst (рабочее название — P68) — суперскалярная гиперконвейерная архитектура, разработанная компанией Intel и лежавшая в основе микропроцессоров Pentium 4, Pentium D, Celeron и Xeon. Архитектура NetBurst пришла на смену архитектуре P6 на рынке настольных и серверных процессоров. Она не являлась развитием архитектуры P6, а представляла собой принципиально новую по сравнению со всеми предшественниками архитектуру. Первые процессоры архитектуры NetBurst были анонсированы 20 ноября 2000 года, а 8 августа 2007 года компания Intel объявила о начале действия программы по снятию с производства всех процессоров этой архитектуры. На смену процессорам архитектуры NetBurst пришли процессоры семейства Core 2 Duo, архитектура которых представляет собой развитие архитектуры P6.

Процессоры архитектуры NetBurst состоят из четырёх основных структурных блоков:

· Исполнительные устройства (англ. execution unit), осуществляющие выполнение инструкций, а также устройства, обеспечивающие взаимодействие исполнительных устройств.

· Входной блок (англ. front end), отвечающий за предвыборку данных, предсказание ветвлений и декодирование инструкций (преобразование сложных инструкций x86 в простые внутренние инструкции — микрооперации).

· Устройства организации внеочередного исполнения (англ. out-of-order buffering logic), обеспечивающие оптимальный порядок исполнения микроопераций.

· Интерфейс памяти (англ. memory subsystem), представляющий собой группу устройств, обеспечивающих взаимодействие процессора с подсистемой памяти.

Исполнительные устройства

К исполнительным устройствам относятся:

· Целочисленный регистровый файл и логика, обеспечивающая непосредственную передачу данных между блоками АЛУ (Integer Register File / Bypass Network). Регистровый файл обеспечивает хранение результатов операций, однако при этом данные могут передаваться между исполнительными блоками минуя регистровый файл.

· Блоки генерации адреса чтения и записи (AGU). Предназначены для взаимодействия с кэшем данных. Формируют адреса, по которым производятся операции чтения и записи.

· АЛУ (ALU). Осуществляют выполнение целочисленных операций.

· Целочисленный регистровый файл и логика, обеспечивающая непосредственную передачу данных между блоком обработки чисел с плавающей запятой, обеспечивающем выполнение инструкций x87, MMX, SSE и SSE2 (FP Register / Bypass).

· Блоки обработки чисел с плавающей запятой (FP / MMX / SSE / SSE2, FP Move). Осуществляют выполнение операций над вещественными числами, в том числе операции чтения и записи (блок FP Move).

В процессорах на ядре Prescott и более новых блок обработки чисел с плавающей запятой получил поддержку инструкций SSE3.

Устройства организации внеочередного исполнения.

Внеочередное исполнение позволяет ускорить работу за счёт изменения порядка выполнения микроопераций в тех случаях, когда это изменение не приведёт к изменению результата. К устройствам организации внеочередного исполнения относятся:

· Диспетчер ресурсов (Allocator / Register Renamer). Осуществляет распределение вычислительных ресурсов, переименование регистров (установление соответствия между логическими регистрами x86 и некоторыми физическими регистрами, выделенными специально для выполняемой инструкции), а также отслеживает состояние всех микроопераций, находящихся в обработке.

· Очереди микроопераций (Memory uop Queue и Integer/Floating Point uop Queue). Содержат микрооперации, которые необходимо выполнить. При этом микрооперации, осуществляющие взаимодействие с памятью (чтение и запись), отделены от всех остальных и размещаются в специальной очереди (Memory uop Queue).

· Планировщики микроопераций (Memory Scheduler, Fast, Slow/General FP Scheduler, Simple FP). Определяют готовность микроопераций, находящихся в очередях, к исполнению и направляют их на выполнение в соответствующие исполнительные блоки.

Устройства входного блока

К устройствам входного блока относятся:

· Модуль и буферы предсказания ветвлений (Front end BTB и Trace cache BTB). Осуществляют предсказание ветвлений и хранят таблицу истории переходов. Для предсказания ветвлений используется как динамический, так и статический методы. Последний используется в том случае, если динамическое предсказание невозможно (в буфере переходов отсутствует необходимая информация).

· Кэш последовательностей микроопераций (Trace cache). Хранит последовательности микроопераций в соответствии с предполагаемым порядком их исполнения.

· Декодер инструкций (Instruction decoder). Осуществляет преобразование CISC-инструкций x86 в последовательность RISC-микроопераций, исполняемых процессором.

· Блок предвыборки инструкций (Prefetcher). Осуществляет предварительную выборку инструкций на основании таблиц предсказания ветвлений и преобразование программного адреса инструкции в физический с помощью таблицы трансляции адресов (I-TLB).

· ПЗУ микрокода (Microcode ROM). Используется кэшэм последовательностей микроопераций при преобразовании сложных инструкций x86 в последовательность микроопераций.

· Очередь микроопераций (uop Queue). Содержит микрооперации, поступающие на конвейер процессора.

Интерфейс памяти

Интерфейс памяти осуществляет взаимодействие с оперативной памятью. К этому блоку относятся:

· Кэш-память данных первого уровня (L1 Data Cache). Память объёмом 8 (Willamette и Northwood) или 16 КБ с малым временем доступа (латентность составляет 2 такта для Northwood и 5 тактов для Prescott).

· Кэш-память второго уровня (L2 Cache). Память объёмом 128 (Willamette-128, Northwood-128), 256 (Willamette, Prescott-256), 512 (Northwood), 1024 (Prescott) или 2048 КБ с малым временем доступа (латентность составляет 7 тактов для Northwood и 18 тактов для Prescott). Соединяется с кэшем первого уровня шиной шириной 256 бит.

· Блок шинного интерфейса (Bus Interface Unit). Осуществляет управление системной шиной.

Некоторые процессоры содержали также кэш-память третьего уровня объёмом 2, 4 или 8 МБ.

Другим представителем процессоров Intel является Intel Core 2 Duo.

Core 2 — восьмое выпущенное корпорацией Intel поколение микропроцессоров архитектуры x86, основанное на совершенно новой процессорной архитектуре, которая называется Intel Core. Это потомок микроархитектуры Intel P6 на которой, начиная с процессора Pentium Pro, построено большинство микропроцессоров Intel, исключая процессоры с архитектурой NetBurst. Введя новый бренд, от названий Pentium и Celeron Intel не отказалась, в 2007 году переведя их также на микроархитектуру Core, и на данный момент доступны процессоры Pentium Dual-Core (не путать с Pentium D) и Core Celeron (400-я серия). Но теперь воссоединились мобильные и настольные серии продуктов (разделившиеся на Pentium M и Pentium 4 в 2003 году).

Первые процессоры Core 2 официально представлены 27 июля 2006 года. Также как и их предшедственники, процессоры Intel Core, они делятся на модели Solo (одноядерные), Duo (двухъядерные), Quad (четырёхъядерные) и Extreme (двух- или четырёхъядерные с повышеной частотой и разблокированным множителем). Процессоры получили следующие кодовые названия — «Conroe» (двухъядерные процессоры для настольного сегмента), «Merom» (для портативных ПК), «Kentsfield» (четырёхъядерный Conroe) и «Penryn» (Merom, выполненный по 45 нанометровому техпроцессу). Хотя процессоры «Woodcrest» также основаны на архитектуре Core, они выпускаются под маркой Xeon.^[1]. С декабря 2006 года все процессоры Core 2 Duo производятся на 300 миллиметровых листах на заводе Fab 12 в Аризоне, США и на заводе Fab 24-2 в County Kildare, Ирландия.

В отличие от процессоров архитектуры NetBurst (Pentium 4 и Pentium D), в архитектуре Core 2 ставка делается не на повышение тактовой частоты, а на улучшение других параметров процессоров, таких как кэш, эффективность и количество ядер. Рассеиваемая мощность этих процессоров значительно ниже, чем у настольной линейки Pentium. С параметром TDP, равным 65 Вт, процессор Core 2 имеет наименьшую рассеиваемую мощность из всех доступных в продаже настольных чипов, в том числе на ядрах Prescott (в системе кодовых имён Intel) с TDP, равным 130 Вт, и на ядрах San Diego’s (в системе кодовых имён AMD) с TDP, равным 89 Вт.

*Для справки (август 21010 г)

Корпорация IBM сообщила подробности о процессоре z196, который должен стать самым быстрым процессором в мире. Тактовая частота этого чипа составит 5,2 гигагерца, пишет PC Mag.

В ходе выступления на компьютерной конференции Hot Chips инженер IBM Брайан Курран рассказал, что чип будет ориентирован на использование в мейнфреймах Z-series. Поставки процессора начнутся в сентябре, а стоимость готовых систем на его базе достигает миллиона долларов.

Этот чип создан на архитектуре CISC и ориентирован на решение ресурсоемких задач. Z196 состоит из 1,4 миллиарда транзисторов и изготовлен с помощью 45-нанометрового техпроцесса. Площадь процессора составляет 512 квадратных миллиметров. Курран подчеркнул, что в чипе используется набор из 1079 различных инструкций.

После своего выхода Z196 отберет звание быстрейшего микропроцессора в мире у другого чипа IBM — Power6. Тактовая частота нынешнего рекордсмена достигает 4,7 гигагерца.