3 – 4 ПРОЦЕССОРЫ 1Развитие технологий Через 15 лет микропроцессоры будут работать на гигагерцевых частотах, а число транзисторов на кристалл размером с ноготь составит миллионы. Протяженность многослойных межсоединений, выполненных на кристалле с молекулярной точностью, составит более километра. На первом плане окажется проблема достижения максимального быстродействия межкомпонентных соединений, с которой поставщики ПК пытаются справиться и сегодня, поскольку скорости внутри ИС в грубом приближении впятеро выше, чем при обмене сигналами между ИС и платой. Большие трудности для разработчиков ИС создадут и задержки распространения сигналов между многочисленными металлическими слоями.^ 1.1Эволюция микропроцессора В 1965 г., когда соучредитель фирмы Intel Гордон Мур предсказал, что плотность размещени транзисторов микропроцессора будет удваиватьс каждые два года (с тех пор это утверждение известно как Закон Мура), никто не мог себе точно представить, насколько верным окажется этот прогноз. Но, пожалуй, еще более удивительно, что, если микропроцессоры продолжают следовать этой тенденции (а мы почти не сомневаемся в этом), то в следующем столетии компьютеры, оснащенные многогигагерцовыми ЦП, станут рядовым явлением.^ 1.2Стоимостные барьеры Одно из препятствий, мешающих развитию микропроцессорной техники и технологии, связано с высокой стоимостью строительства предприятия (завода) для полупроводникового производства, которая ныне превышает 1 млрд. долл. Сегодня существует около тысячи таких заводов; строительство порядка сотни таких заводов в период до 2012 г. обойдется еще дороже. К тому же эти затраты не идут ни в какое сравнение с расходами, которые потребуются для доведения новых микросхем до рынка. Например, разработка и внедрение первого микропроцессора Pentium обошлись компании Intel в сумму более 5 млрд. долл. Разработка микросхем 2012 г., независимо от того, будут ли они выполнены на основе RISC- или CISC-архитектуры, может обойтись в сумму около 10 млрд. долл. Расходы на изготовление микросхем фактически признал в качестве ограничивающего фактора Гордон Мур из компании Intel. Муру это хорошо известно, так как он первым указал в 1965 г. на стратегическую тенденцию пропорционального уменьшения размера транзисторов в целях экономически эффективного изготовления более миниатюрных и быстродействующих микросхем повышенной функциональности (эту тенденцию затем стали называть "Законом Мура"). В соответствии с ней каждый год в продажу поступают все более быстродействующие и миниатюрные компьютеры.^ 2RISC-процессоры 2.1RISC и CISC Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объёма программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере "выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата". Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает "чипы с сокращённой системой команд" (Reduced Instruction Set Computer). Одновременно "классические" процессоры получили обозначение CISC (Complex Instruction Set Computer) - компьютер со сложным набором инструкций. В 70-х годах ученые выдвинули революционную по тем временам идею создания микропроцессора, “понимающего” только минимально возможное число команд. Замысел RISC-прцессора родился в результате практических исследований частоты использования команд программистами, проведенных в США и Англии. Их непосредственный итог: в 80% кода типичной прикладной программы используется лишь 20% простейших машинных команд из всего доступного множества. Исходя из этого разработчики концепции RISC выполнение сложных команд передоверили программному коду.Разработчики архитеткры компьютеров издавна прибегали к методам проектирования, известным под общим названием «совмещение операций», при котором аппаратура компьютера в любой момент времени выполняет более одной базовой операции. Этот общий метод включает два понятия: параллелизм и конвейеризацию. Хотя у них много общего и их зачастую трудно различить на практике, эти два термина отражают два совершенно разных подхода. При параллелизме совмещение операций достигается путем воспроизведения в нескольких копиях аппаратной структуры. Высокая производительность достигается за счет одновременной работы всех элементов структур, осуществляющих решение различных частей задачи.Конвейризация (или конвейерная обработка) в общем случае основана на разделении подлежайшей исполнению функции на более мелкие части, называемые ступенями, и выделении для каждой из них отдельного блока аппаратуры. 2.2Конвейеризация Конвейризация увеличивает пропускную способность процессора (количество команд, завершающихся в единицу времени), но она не сокращает время выполнения отдельной команды. При реализации конвейрной обработки возникают ситуации, которые препятствуют выполнению очередной команды из потока команд в предназначенном для нее такте. Такие ситуации называются конфликтами. Конфликты снижают реальную производительность конвейреа, которая могла бы быть достигнута в идеальном случае. Существует три класса конфликтов:^ Струкутрные конфликты, которые возникают из-за конфликтов по ресурсам, когда аапаратные средства не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.^ Конфликты по данным, возникающие в случае, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды.Конфликты по управлению, которые возникают при конвейризации команд переходов и других команд, которые изменяют значение счетчика команд.^ 2.3Типичные особенности RISC-процессоров Сокращенный набор в 80-150 команд вместо нескольких сотен. (Правда, сейчас деление на процессоры CISC и RISC носит чисто условный характер. Большинство команд выполняется за один такт и лишь немногие - за несколько или несколько десятков тактов. Все команды обработки данных оперируют только с содержанием регистров, благо их, как правило, много, а для обращения к более медлительной оперативной памяти предусмотрены отдельные инструкции - загрузить в регистр/записать в память Наличие большого числа основных регистров (32, 64 или 128) и вместительную кэш-память 64-разрядная адресация (т.е. более чем 32) Наличие жестких многоступенчатых конвейеров обработки без применения микропрограмм Для RISC-процессоров характерно применение оптимизирующих компиляторов, анализирующих исходный код и частично меняющих порядок следования командПервый “настоящий” RISC-процессор с 31 командой был создан в Университете Беркли (под руководством Дэвида Паттерсона), который содержал около 20 тыс. транзистроров. На базе этого процессора фирмой Sun Microsystems была разработана архитектура SPARC. ^ Оценка производительности микропроцессоров Комитет SPEC (Strandard Performance Evaluation Corpo-ratiuon) является сегодня одним из известных разработчиков и поставщиков тестовых наборов для оценки производительности различных компьютерных конфигураций. Оценки, публикуемые комитетом SPEC, являются официальными результатами, признаваемыми всеми фирмами-производителямиПервая серьезная замена комплекта тестов была проведена комитетом SPEC после появления в начале 90-х RISC процессоров. Тогда вместо основного набора SPEC_int89 и SPEC_fp89 были взяты на вооружение смеси SPEC_int92 и SPEC_fp92. А уже в 1994 году с появлением новых компиляторов, обладающих средствами оптимизации под RISC процессоры, вводятся новые метрики SPEC_base_int92 и SPEC_base_fp92, а, точнее говоря, дополнительные требования на использование в компиляторах режима оптимизации. Предлагая новый тестовый набор, комитет SPEC изложил причины появления нового набора образца 1995 года и определил ряд правил по их использованию. Среди причин необходимости разработки нового комплекта тестов назывались следующие: ^ В качестве "эталонной" машине используется SPARC-station 10/40 в конфигурации с кэш-памятью второго уровняВремя выполнения тестов. Набор 1992 года на современных процессорах выполняется максимум за 1 минуту. Кроме того, учитывая несовершенные и еще неунифицированные в наборе 1992 года средства замера времени выполнения, полученные результаты уже стало невозможным использовать для сравнения и анализа производительности вычислительных систем, в частности, в силу вносимых погрешностей. ^ Размер кода. Современные процессоры имеют достаточно большой объем встроенной кэш-памяти куда запросто можно было поместить код старого тестового набора 1992 года, а это уже не позволяет объективно оценивать эффективность системы организации памяти. ^ Области приложений. После тщательного анализа множества пользовательских программ стала очевидна необходимость корректировки состава задач старого набора для более адекватного отражения современных областей приложений. Сегодня считается, что программы, составляющие новый набор, покрывают все реальные сферы применения рабочих станций и серверов, и содержат более "реалистичный" код. Компиляторы. Разработчики компиляторов достаточно хорошо изучили программы тестового набора 1992 года и научились прекрасно оптимизировать компиляторы конкретно под этот код, поэтому единственной возможностью исключить такую "оптимизацию" стала замена программ, составляющих тестовый набор. Так же как и для набора образца 1992 года новый комплект тестов предлагает следующие метрики для оценки производительности при выполнении операций целочисленной и вещественной арифметики: оценка скорости выполнения теста с оптимизированым (SPECint95 и SPECfp_95) и не с оптимизированным (SPECint base_95 и SPECfp base_95) режимом компиляции; оценка пропускной способности системы, которая является актуальной для SMP архитектур и/или многозадачного режима работы и также вычисляется для оптимизированного (SPECint_rate95 и SPECfp_rate95) и не оптимизированного (SPECint_rate_base95 и SPECfp_rate_basefp95) режима работы. ^ Перечень программ метрики INT95 ( C ) Программа Область приложения ^ Спецификация задачи 099.go Искусственный интеллект Игра Go - игра сама против себя 124.m88ksim Моделирование Моделирование чипа Motorola 88100 126.gcc Программирование Компиляция программы на Си и компиляция в оптимизированный код для процессоров SPARC 129.compress Компрессия Компрессия текстового файла размером 16Мбайт ^ Перечень программ метрики FP95 (Fortran77) Программа Область приложения ^ Спецификация задачи 101.tomcatv Гидродинамика, геометрические Генерация двухмерной координатной сетки преобразования вокруг произвольной области 102.swim Предсказание погоды Моделирование водной поверхности методом конечных элементов (вещественная арифметика с одинарной точностью) 103.su2cor Квантовая физика Вычисление масс элементарных частиц с использование метода Монте-Карло Как видно из приведенных таблиц, в тестовый набор включены программы, используемые в самых различных прикладных областях. При анализе возможностей вычислительных систем целесообразно проводить не только их комплексное сравнение по итоговому рейтингу, составленному как среднее геометрическое по результатам выполнения всех программ, но и узкоориентированное - по конкретной программе, в случае если предполагаемое использование вычислительной системы соответствует выбранной предметной области.