Особенности архитектуры 64 – разрядных МП

5.1. Itanium 2 Intel

Процессор разрабатывался с нуля, причем, параллельно сразу в двух версиях: инженерами Intel и Hewlett-Packard. Впро-чем, в основе обоих чипов лежали, естественно, одни и те же идеи, поскольку создавались они все же совместно, и должны были оба стать родоначальниками одного и того же семейства. Цементирующим составом были, естественно, единая идеология, при-шедшая на смену CISC - EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing), и новая архитектура - IA-64, включающая в себя на-бор инструкций, описание регистров, и прочие подобные вещи. Впрочем, архитектура как раз - вещь изменчивая, достаточно вспомнить как отличаются между собой такие CISC процессоры, как 8086 и i80486, оба созданные на базе 80x86.
Точно так же и с Merced и McKinley, Itanium и Itanium 2 - оба построены на базе одной идеологии, но в разных разновидно-стях архитектуры. В свое время та же история, в общем то, была и с Pentium и Pentium Pro. Впрочем, общие черты были и у тех, есть и у этих, за это "отвечает" EPIC. В первую очередь речь идет о полноценной масштабной суперскалярности, то есть, способности выполнять одновременно несколько инструкций. Для чего, естест-венно, процессор содержит исполнительные модули - для опера-ций с целыми числами, с числами с плавающей запятой, и т.д.
В отличие от Pentium и его последователей, разбирающихся в коде самостоятельно, EPIC-процессоры сильно полагаются на компилятор, который должен сам проанализировать код на пред-мет нахождения оптимальных мест для распараллеливания его вы-полнения, и снабдить процессор этой информацией. Поэтому и используется «explicitly» - процессор не должен сам пытаться по-нять, что можно исполнять параллельно, а что нет, и т.д. - все это ему уже заранее объяснит компилятор. Плюс, мощные механизмы по предсказанию переходов, предварительному выполнению кус-ков кода, предварительной загрузке данных, и тому подобные ве-щи - загрузка исполнительных блоков должна быть распределена максимально равномерно.
Кардинально решен вопрос с регистрами, количество кото-рых увеличено в несколько раз: у Itanium их количество составляет 128 общего назначения (рис.1), 128 - для хранения чисел с пла-вающей запятой, 8 регистров переходов, и 64, отвечающих за ра-боту механизмов предсказания. Здесь все очевидно - такого коли-чества регистров, да еще реально 64-битных, хватит для хранения любых требуемых чисел для любого разумного количество испол-нительных модулей. У Itanium, первого представителя семейства, таких регистров всего пять - два целочисленных, два для операций с памятью и четыре - для операций с плавающей точкой. Физи-ческая память адресуется 44-бит числами, что на самом деле огра-ничивает ее объем "всего лишь" 17.6 Терабайт, блоки для опера-ций с плавающей точкой работают с числами в 82-бит представлении.

Рис.1

От идеи реализовать 32-бит 80x86 ядро в аппаратном виде Intel отказался, сочтя это слишком неэффективным использовани-ем площади кристалла. Так что для того, чтобы получить возмож-ность исполнения Itanium 80х86 кода, была создана система трансляции, которая на лету преобразует 80x86 код в IA-64.
Очевидно, что при прочих равных, производительность подобного решения будет ниже, чем чистого x86, работающего на той же частоте. Впрочем, никто и не ждал от Itanium скоростного исполнения x86 программ - поддержка этой архитектуры относит-ся скорее к издержкам переходного периода. Тем не менее, факт остается фактом: это семейство для решения 32-бит задач не при-способлено. Впрочем, вряд ли кто-то будет использовать Itanium для подобных целей при наличии полноценного 64-битного ПО..
Вдобавок, сам по себе Itanium был в значительной степени пилотным проектом, как и Pentium Pro, так что процессор вообще стоит рассматривать больше как демонстрацию возможностей ар-хитектуры. Характерный штрих - чипсет для Itanium, 460GX, под-держивает в качестве памяти всего лишь PC100 SDRAM, это кое-что говорит о скорости, с которой способен переваривать данные процессор. С другой стороны, однако, в какой-то мере не слишком быстрый интерфейс с оперативной памятью компенсируется очень большой кэш-памятью L3 - 2 или 4 Мбайт, работающей на полной частоте процессора (733 или 800 МГц) с пропускной способно-стью до 12.8 Гбайт/с.
Еще одной задачей Itanium было решить вопрос с компиля-торами - ведь EPIC-процессоры, как уже упоминалось, очень сильно от них зависят. В отличие от компиляторов для 80x86 про-цессоров, которые на их производительность почти не влияли, здесь компиляторы являются полноправными партнерами процес-сора - ведь они снабжают его крайне необходимой для работы ин-формацией, и от того, насколько качественной она будет, будет за-висеть скорость исполнения этой программы процессором.
Itanium 2 является уже куда более коммерчески интересным продуктом. Созданный Hewlett-Packard, набившей руку на создании 64-бит процессоров серии PA-RISC, чип получился куда более совершенным. С несколько меньшим количеством L3 (1.5 или 3 Мбайт) и несколько более высокой частотой, 900 МГц или 1 ГГц, он обеспечивает в пол-тора-два раза большую производительность на тех же задачах, что и Itanium. Он является, фактически, первым представителем архи-тектуры IA-64.
Дальше планируется еще большее распараллеливание мак-симально модным на сегодняшний день путем: процессор должен будет перейти на два физических ядра, что позволит практически удвоить производительность по достаточно приемлемой цене - по крайней мере, результат получится куда более дешевым, чем если бы того же количества исполнительных модулей, регистров, и т.д., пытались достичь на едином кристалле.

5.2. Athlon 64 AMD

В первую очередь заметим, что процессор Athlon 64 – это именно тот 64-битный процессор для настольных систем, который изначально планировала выпустить AMD. Впоследствии, в свете выхода скоростных процессоров Pentium 4, появления в них 800-мегагерцовой шины и технологии Hyper-Threading, AMD в сроч-ном порядке решила нацелить на рынок настольных систем и од-нопроцессорный Opteron, дав ему имя Athlon 64 FX. Однако Athlon 64 FX в силу своего серверного происхождения оказался дорогим и малораспространенным. По настоящему же продвинуть архитектуру AMD64 для массового использования должен именно Athlon 64.
Ниже представлена таблица 1 со спецификациями 64 - раз-рядных МП Athlon 64 3200+, Athlon 65 FX-51 и Athlon XP 3200+:

Таблица 1

* Заметим, что память в Athlon 64 и Athlon 64 FX такту-ется относительно частоты ядра, поэтому реальные час-тоты для памяти в этом случае составляют 129.4, 157.1 и 200 МГц.
Фактически, Athlon 64 отличается от своего старшего собра-та Athlon 64 FX, помимо формы и размеров корпуса, только лишь контроллером памяти. Хотя, при этом, и тот и другой процессоры производятся из одних и тех же кристаллов. Контроллер памяти в Athlon 64 одноканальный и в этом заключается как его слабость, так и преимущество по сравнению с Athlon 64 FX. Недостаток од-ноканального контроллера памяти в Athlon 64 очевиден: это более низкая теоретическая пропускная способность.
Учитывая, что Athlon 64 способен работать с DDR400 памя-тью, максимальная пропускная способность встроенного в CPU контроллера памяти составляет 3.2 Гбайт в секунду. Это в два раза меньше, чем аналогичная характеристика Athlon 64 FX. Преиму-щество же контроллера памяти Athlon 64 заключается в том, что он, в отличие от контроллера Athlon 64 FX, поддерживает обыч-ные нерегистровые модули памяти. Такие модули по сравнению с регистровыми более дешевы, имеет более агрессивные тайминги и работают быстрее, даже при одинаковых с регистровыми модуля-ми настройках. То есть при более низкой пропускной способности, обеспечиваемой контроллером памяти Athlon 64, подсистема памяти, его использующая, имеет более низкую латентность, что мы и покажем ниже.
АMD Athlon 64 по внешнему виду похож на Opteron и Athlon 64 FX.
Отличия обнаруживаются только лишь в маркировке и в меньшем числе ножек на обратной стороне, поскольку процессоры Athlon 64 устанавливаются в материнские платы с Socket 754 и не совместимы с Socket 940 платами, предназначенными для CPU се-мейств Athlon 64 FX и Opteron.
Помимо перечисленных выше особенностей, есть в новых процессорах Athlon 64 и еще одна. Эти процессоры обладают под-держкой технологии Cool’n’Quiet, фактически пришедшей в них из мобильных вариантов МП. По сути, Cool’n’Quiet представляет собой некое подобие технологии энергосбережения PowerNow!, уже давно используемой в мобильных МП от AMD. Но теперь эта технология, наконец, пришла и в настольные процессоры ком-пании. Поддержка Cool’n’Quiet – еще одно преимущество Athlon 64 над Athlon 64 FX/Opteron, не имеющих пока никаких подобных технологий. Компания AMD достаточно давно уделяет присталь-ное внимание понижению уровня тепловыделения своих настоль-ных процессоров.
Надо сказать, что в этом компания уже давно превосходит Intel: старшие модели процессоров AMD при максимальной на-грузке выделяют значительно меньше тепла, чем старшие модели Pentium 4. Также, в процессорах применяются технологии, пони-жающие тепловыделение и при низкой нагрузке. Еще МП семей
ства Athlon XP имели возможность перехода в «ждущий ре-жим» (Halt/Stop Grant) при выполнении команды HALT, что выли-валось в понижение температуры процессора при его загрузке ни-же 100%. Однако теперь AMD пошла еще дальше. В новых про-цессорах Athlon 64 реализована еще более интеллектуальная схема понижения тепловыделения.
В дополнение к состояниям Halt/Stop Grant, Athlon 64 умеет сбрасывать свою тактовую частоту и напряжение питания для еще более сильного снижения тепловыделения. В работе с использова-нием этой технологии тактовой частотой МП управляет драйвер процессора, который сбрасывает или повышает ее, основываясь на данных о его загрузке. Действительно, если процессор полностью справляется с возлагаемой на него работой и его загрузка сильно меньше 100%, то можно без ущерба для функционирования систе-мы в целом снизить его тактовую частоту: на работе системы это никак не скажется. Например, при простоях, работе в офисных приложениях, просмотре видео, дефрагментации дисков и в по-добных задачах мощности процессора в полной мере не использу-ются. Именно в таких случаях процессорный драйвер переводит Athlon 64 на меньшую тактовую частоту. Когда же от процессора требуется полная отдача, например, в играх, при решении вычис-лительных задач, в задачах кодирования данных и т.п., частота процессора поднимается до номинала. Именно таким образом и работает технология Cool’n’Quiet.
На практике это выглядит следующим образом. В обычных условиях, при минимальной загрузке МП процессорный драйвер сбрасывает частоту Athlon 64 3200+ со штатных 2 ГГц до 800 МГц. Напряжение питания процессора при этом понижается до 1.3В. Как видим, снижение тактовой частоты обеспечивается за счет уменьшения множителя процессора до 4x. Это, кстати, обу-славливает и тот факт, что процессоры Athlon 64 3200+ поставля-ются с незафиксированным коэффициентом умножения. В таком режиме процессор продолжает работать до тех пор, пока его за-грузка не превысит 70-80%. В частности, мы смогли запустить од-новременно дефрагментацию диска, проигрывание файлов с рас-ширением mp3 (аудифайлов) и просмотр MPEG-4 (видеофайлов) ролика, в то время как процессор продолжал работать на часто-те 800 МГц.
Когда же загрузка процессора Athlon 64 при частоте 800 МГц превышает допустимый предел, МП переводится драйвером в следующее состояние, при котором частота Athlon 64 3200+ со-ставляет 1.8 ГГц, а напряжение питания 1.4В. Достигается это вновь за счет уменьшения множителя, на этот раз до 9x. И только если в данном случае нагрузка процессора вновь оказывается чрезмерно высокой, драйвер переводит МП в штатный режим: частота 2 ГГц, напряжение питания – 1.5В.
Отметим, что в режимах с пониженным питанием и часто-той тепловыделение процессора Athlon 64 3200+ резко падает. Для сравнения приведем таблицу 4 с тепловыделением этого процес-сора в основных режимах.

Таким образом, использование технологии Cool’n’Quiet по-зволяет значительно снизить температуру процессора не только в моменты простоя, но и во время выполнения ряда задач, не тре-бующих от МП максимальной производительности. Что немало-важно, быстродействие МП в задачах, требовательных к процес-сорным ресурсам, при этом совершенно не снижается. В итоге, при применении систем охлаждения с вентиляторами с перемен-ной скоростью, использование технологии Cool’n’Quiet может по-зволить значительно снизить уровень шума.