ЦУи МП (Архив, содержащий лекции)

Эльбрус Бабаяна и Pentium Пентковского

Перспективный микропроцессор E2k (Эльбрус-2000), разрабатываемый российской компанией Эльбрус, получил широкую известность лишь недавно.

Основные характеристики:

- новый процессор должен показывать в 3-5 раз более высокую производительность,
потреблять меньше электроэнергии и быть дешевле в производстве, чем Intel Merced;

- команда Эльбрус имеет достаточно хорошую репутацию и опыт, чтобы действительно
выпустить такой процессор;

- компьютеры Эльбрус, реализующие основные современные архитектурные принципы, начали выпускаться задолго до того, как идеи на эту тему начали только обсуждаться на Западе,

• процессор Эльбрус-3 был изготовлен в 1991 году по очень старой, даже по тем
  временам, кристальной технологии, но по производительности в два раза превосходил Cray;

• технологические новшества Е2К столь же впечатляющи, как и архитектурные; Е2К
  реализует лучшую схемотехнику, чем та, которая используется в рекордсмене последнего
  времени, процессоре Alpha 21264;

• KMОП технология Е2К с низким энергопотреблением позволит в ближайшие 2-3 года
  иметь "суперкомпьютер в карманном электронном блокноте";

- в области компиляторов команда Эльбрус не менее квалифицирована, чем в разработке архитектуры или электронном проектировании: распараллеливающий компилятор Е2K в настоящее время достигает показателя 10-ти операций за такт, что почти в три раза выше, чем лучший в отрасли компилятор Alpha;

- в режиме интерпретации Е2К исполняет код микропроцессоров Intel и Sun всего на
10-30% медленнее, чем свой собственный (для сравнения, пакет FX132, исполняющий код
процессоров Intel на компьютерах Alpha, замедляет исполнение в 3 раза); при этом Е2К
позволяет достичь 100% двоичной совместимости для любых кодов процессоров Intel для
любой операционной системы, что выгодно отличает Е2К от того же FX132;

В 1991 г в Эльбрус (тогда еще ИТМиВТ) побывал г-н Розенбладт из фирмы Hewlett-Packard, и получил исчерпывающую документацию на Эльбрус-3. Позже выяснилось, что именно тогда HP начала проект, приведший к совместной с Intel разработке процессора Merced Его архитектура очень схожа с Эльбрус-3, а отличия в основном связаны с упрощениями, сделанными в микропроцессоре от Intel,

Первоначально проект E2k финансировался фирмой Sun. Сейчас проект полностью независим, вся интеллектуальная собственность на него принадлежит Эльбрус и защищена примерно 70-ю патентами США.

Разработки Эльбрус имеют непосредственное отношение и к самым распространенным сейчас универсальным микропроцессорам–семейству х86 фирмы Intel.

Пентиум

В ИТМиВТ Владимир Пентковский принимал участие в разработке суперкомпьютеров Эльбрус-1 и Эльбрус-2. В 1986 году он возглавил проект 32-разрядного микропроцессора Эль-90. К 1987 году логический дизайн будущего микропроцессора был завершен, а в 1990г произведены первые прототипы. Основные характеристики Эль-90:

• выдача до трех команд за такт.

• 32-разрядная архитектура.

• большинство команд исполняются за один такт.

• аппаратная поддержка языков программирования высокого уровня исполнение по предположению.

• изменение порядка исполнения команд.

• предсказание ветвлений.

• переименование регистров

• раздельные КЭШи команд и данных по 32KB.

• конвейеризованное устройство вещественной арифметики.

• поддержка мультипроцессорности (до 10 процессоров).

• поддержка отладки, мониторинг производительности.

• режим "сверхнадежных вычислений" (несколько процессоров независимо производят вычисления и сравнивают результаты, а если результаты расходятся, считают заново). Этот режим требовался, потому что используемая в Эльбрус элементная база была недостаточно надежной для некоторых военных приложений. В 1990г Пентковский начал работу над Эль-91С, последователем Эль-90. Но после изменения в России политической и экономической системы, финансирование разработки прекратилось. Па период с 1991 по 1999 год Пентковский теряется из нашего поля зрения. Вновь его имя появляется в Intel Technology Journal, Согласно приложению к статье, посвященной архитектуре микропроцессора Pentium III (http://developer.mtel.com/tec)Владимир Пентковский является главным архитектором Pentium III.

Хочется также напомнить, что в 1993 году Intel представила свой принципиально новый 32-разрядный процессор Pentium. Вот некоторые из его характеристик (Не правда ли, между Pentium и Эль-90 очень много общего):

• декодер команд Pentium заменяет команды х86 простыми RISC-подобными, которые процессор способен эффективно обрабатывать.

• суперскалярная архитектура с выдачей до двух команд за такт.

• предсказание ветвлений.

• раздельные КЭШи команд и данных.

• конвейеризованный блок операций с вещественными числами,

• кэш первого и второго уровня.

• поддержка мультипроцессорности (2 процессора).

• поддержка отладки, мониторинг производительности.

• режим "сверхнадежных вычислений" - два процессора Pentium независимо производят вычисления и сравнивают результаты - если результаты расходятся, считают по-новому.

Оказывается, отечественные суперкомпьютерные ноу-хау, реализованы в микропроцессорах Pentium. Бывший сотрудник ИТМиВТ Владимир Пентковский в настоящее время является ведущим разработчиком микропроцессоров фирмы Intel. Вместе с Пентковским в Intel попали огромный опыт и совершенные технологии, разработанные в ИТМиВТ. Компьютеры Эльбрус, в которых реализованы основные принципы современных архитектур начали выпускаться задолго до того, как идеи на эту тему начали только обсуждаться на Западе. Есть мнение, что процессор Pentium назван по фамилии своего разработчика Владимира Пентковского. Действительно, в 1995 году фирма Intel выпустила более совершенный процессор Pentium Pro, который уже вплотную приблизился по своим возможностям к Российскому микропроцессору 1990 года. В Pentium Pro был улучшен декодер команд х86, усовершенствовано суперскалярное ядро, добавлено исполнение по предположению, изменение порядка исполнения команд, переименование регистров, улучшен блок операций с вещественными числами.

E2К

Микропроцессор Эльбрус Е2К с архитектурой разрабатывает отечественная компания Эльбрус Интернэшнл (WWW.elbrus.ru). Руководит проектом член-корреспондент РАН Б. А. Бабаян. Сейчас процессор существует в виде описания на специальном языке Verilog, такое описание является финальным этапом логического проектирования, на следующем этапе Verilog-описание переносят на кристалл. Уже готов весь набор системного программного обеспечения Е2К. Он включает в себя распараллеливающий компилятор и двоичный транслятор кода х86.Эльбрус демонстрировал исполнение MS Windows и игры MS Flight-Simulator на рабочей станции Sun с процессором UltraSPARC. По всем показателям Эльбрус Е2К должен превзойти американские разработки. Е2К будет иметь более высокую производительность при меньшем энергопотреблении и меньших размерах кристалла. При этом программной двоичной трансляцией обеспечивается полная совместимость с кодом х86 почти без потерь производительности по сравнению с собственным кодом Е2К. Российской разработкой заинтересовалась корпорация Microsoft, для операционных систем которой, вероятно, очень бы пригодилась производительность Е2К. Гордонн Белл, который, работая в DEC, создал компьютеры линий PDP и VAX, а сейчас возглавляет исследовательское подразделение Microsoft, популяризирует проект Эльбрус Е2К на международных конференциях. Ниже приведена таблица

Система классификации и именования процессоров Intel

Pentium - самые первые процессоры семейства Р5 появились в далеком марте 1993-го, тогда Intel, чтобы не повторить ошибки с i486 (суд отклонил иск Intel к AMD по поводу названия) решила дать своему детищу имя, которое впоследствии стало нарицательным. Первое поколение Pentium носило кодовое имя Р5 и выпускалось на тактовых частотах 60 и 66 Мгц по 0.80-микронной технологии, правда стоит отметить, что частота шины у этих процессоров была равна частоте ядра. Выпускались они исключительно под Socket 4. Следующим шагом в развитии этого семейства стал Р54, который появился ровно через год. При его изготовлении использовался уже 0.50, а затем и 035-микронный технологический процесс. Тактовая частота была в пределах 75-200 Мгц, а шина 50-66 Мгц. Объем кэш памяти первого уровня 16Кб. Сначала выпускались для Socket 5, а затем и для Socket 7. Архитектура IA32, набор команд не менялся со времен i386.

Pentium w/MMX technology - следующим большим шагов стал выпуск Р55, процессора в котором впервые был реализован новый набор из 57 команд ММХ. Произошло это 8 января 1997 года. С развитием технологии процессоры стали выпускаться по 0.28 микрон; Объем кэш памяти первого уровня был увеличен в два раза- 32 Кб. Тактовая частота 166-233 Мгц, а шины исключительно 66 Мгц. Рассчитан на Socket 7. На этом развитие линейки Pentium для настольных компьютеров было прекращено.

Tillamook - процессор, изначально создавшийся для применения в ноутбуках; благодаря усовершенствованному 0.25-микронному процессу, удалось одновременно поднять тактовую частоту вплоть до 266 Мгц, а также снизить напряжение ядра и мощность. Таким образом, мобильные компьютеры встали в один ряд с настольными. Он является продолжением линейки Pentium и включает 32 Кб L1 КЭШа и набор ММХ. Выпускался на тактовых частотах от 133 до 266 Мгц с частотой шины 60-66 Мгц. Тип упаковки: TCP и ММС. Появился 8 января 1997 года. Выпускается до сих пор.

Pentium Pro - первый процессор шестого поколения. Довольно революционный для своего времени. В нем впервые Intel решилась применить кэш память второго уровня, объединенную в одном корпусе с ядром и оперирующую на частоте процессора. Имел очень высокую себестоимость изготовления, которая так практически и не снизилась за все время его существования с 1 ноября 1995 года. Выпускался как по 0.50. так и по 0.35-микронной технологии в зависимости от объёма КЭШа. Кэш второго уровня имел объем 256, 512 и 1024 Кб. Тактовая частота от 150 до 200Мгц. Частота системной шины 6-66Мгц. Кэш первого уровня объемом 16Кб. Выпускался исключительно для Socket 8. Набор инструкций еще от 386го. Значительно опередил свое время.

Pentium II - семейство Р6/6х86, впервые появился в мае 1997 года. Объединяет общим именем процессоры, предназначенные для разных сегментов рынка. Pentium II (Klamath, Deschutes, Katmai и др.) для массового рынка ПК среднего уровня, Celeron (Covington, Mendocino, Dixon и др.) - для недорогих low-end компьютеров, Xeon (Xeon, Tanner, Cascades и др.) для высокопроизводительных серверов и рабочих станций. Имеет модификации для Slot 1, Slot 2, Socket 370, а также варианты в мобильном исполнении. Ниже мы рассмотрим каждое семейство в PentiumII семейство Р6

• Pentium (Klatmath, Deschutes, Katmai) массовый рынок среднего уровня

• Klatmath - 0,35m, F=233-300, Fш=66МГц

• Deschutes-0,25m, F=266-450, Fш=66-100МГц

• Katmai –0,18..0,25m, F=450-600, Fш=100МГц, КЭШ L2=512k, Расширен ММХ Celeron - рынок недорогих ПК

• Covingon - построен на ядре Deschutes 0,25m, F=266-300, Fш=66МГц, Ll=32k,L2=0

• Mendocino 0,18m, F=300-500, Fш=66-100КГц, L2=128k

• Dixon - применяется в NoteBook 0,25m, F=300-500, Fш=66МГц, L1=32k, L2=256k

Pentium III

• Coppermine - 0,18m, F=600-800, Fш=100-133МГц, L2=256k

• Xeon - предназначен для серверных станций, ядро Deschutes 0,25m, L2=512-2048k

• lanner - F=500 и выше, Fш=100МГц, L2=512-2048k, 8-микпроцессорные системы

• Cascades - 0,18m, F=600 и выше, Fш=133МГц, L2=256k

• Willamete - принципиально новый, 0.13..0,18m, F=1ГГц и выше (2001 год) L2=1Mб. Будет превосходить Deschutes на 30-50% при одинаковых частотах

• Foster - предполагается значительно увеличить КЭШ L1 иL2, F=от 1 ГГц

• Merced

• Merced - абсолютно новая архитектура IA-64, трехуровневый КЭШ, производительность будет в 3 раза (!!!) выше, чем у Tanner. 0,18m,F=ot 800, F_Ш=200MГц 4 блока для работы с плавающей точкой. Превосходит Pentium PRO в 20 paз.

• МС Kinly–планируется как второе поколение. F=от1000МГц, производительность выше чем у Merced в 2 раза, 0,18m

• Madison - это МС Kinly по технологии 0,13m

• Dccrfield -это Foster по технологии 0,13m

• North Wood Архитектура IA-64 F=ot 3000МГц

Klamath - самый первый процессор линейки Pentium II. Изготавливался по уже устаревшей 0.35-микронной технологии, а потому диапазон тактовых частот всего 233-300 Мгц. Частота системной шины - 66 Мгц, кэш память второго уровня - 512 Кб, которая размещена на процессорной плате и работает на половине частоты процессора. Кэш первого уровня 32 Кб. Дополнен ММХ блоком. Это также первый процессор для Slot 1. Увидел свет 7 мая 1997 года.

Deschutes - дальнейшее развитие линейки Pentium II, усовершенствованная технология изготовления 0.25 микрон. Соответственно, удалось поднять тактовую частоту 266-450 Мгц, частота системной шины 66-100 Мгц, кэш память второго уровня 512 Кб размещена на процессорной плате, вышел 26 января 1998 , Slot 1. Кэш первого уровня 32 Кб, дополнен ММХ блоком. В настоящее время ядро Deschutes используется во многих процессорах линейки Pentium

Katmai - самый ожидаемый процессор начала 1999 года. В нем впервые будет использован новый набор команд для обработки 3D графики - KNI (Katmai New Instructions). Тактовая частота 450-500+ Мгц, частота системной шины 100 Мгц, кэш память второго уровня 512 Кб размещена на процессорной плате. Вначале будет изготавливаться по 0.25-микронной технологии, затем переход на 0.18. Исключительно для Slot 1. Призван заменить сегодняшние процессоры линейки Pentium II.