Pentium. 
Архитектура микропроцессора

В марте 1993 года фирма Intel объявила о начале промышленных поставок 66- и 60-мегагерцовых версий процессора Pentium, известного ранее как 586 или P5. Название нового микропроцессора является зарегистрированной торговой маркой корпорации Intel. Таким образом, в системах Intel Inside микропроцессор 586 фигурировать не будет. Системы, построенные на базе Pentium, полностью совместимы со 100 миллионов персональных компьютеров, использующих микропроцессоры i8088, i80286, i80386, i486. Новая микросхема содержит около 3,1миллионатранзисторов и имеет 32-разрядную адресную и 64-разрадную внешнюю шину данных, что обеспечивает обмен данными с системной платой со скоростью до 528Мбайт/с. В отличие от 486-х процессоров, для производства которых использовалась CMOS-технология, для Pentium фирмы Intel применила0,8-микронную BiCMOS технологию.

Pentium с тактовой частотой 66 МГц имеет производительность 112 MIPS (миллионов операций в секунду). Супер скалярная архитектура содержит два пятиступенчатых блока исполнения, работающих независимо иобрабатывающих две инструкции за один такт синхронизации. Pentium имеетдва раздельных 8-Кбайтных кэша: один для команд и один для данных. Одним из наиболее интересных новшеств, используемых в Pentium, является небольшая кэш-память, называемая Branch Target Buffer — BTB (буфер меток перехода), которая позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах. По скорости выполнения операций с плавающей точкой Pentium оставляет далеко позади всех своих «собратьев по классу" — i486DX-33 (почти в 10 раз), i486DX2−66 (2,5 раза).

Это достигается, в частности, благодаря реализации оптимальных алгоритмов, а также специализированным блокам сложения, умножения и деления свосмиступенчатой конвейеризацией, что позволяет выполнять операции сплавающей точкой за один такт. Как известно, в процессорах i486специального конвейера для устройств с плавающей точкой предусмотрено не было.

В настоящее время микросхемы Pentium сняты с производства.

Pentium Pro.

1 ноября 1995 года фирма Intel объявила о начале коммерческих поставок микропроцессора нового поколения Pentium Pro именуемого до недавнего времени P6. В его основе лежит комбинация технологий, известная как Dynamic Execution. Собственно, это три уже известные технологии: многократное предсказание ветвлений, анализ потоков данных и эмуляция выполнения инструкций. В корпусе микросхемы размещены два кристалла, одним из которых является 256- или 512-Кбайтная кэш-память второго уровня. На кристалле процессора, как обычно, расположен 16-Кбайтный кэш. На сегодняшний день в семейство Pentium Pro входят микропроцессоры с тактовой частотами 200, 180, 166 и 150 МГц. Если микросхема Pentium Pro 150 выпускается согласно технологическим нормам 0,6 мкм, то процессоры с более высокой тактовой частотой используют уже технологические нормы 0,35 мкм. intel pentium микропроцессор компьютер Показатель производительности для Pentium Pro 200 по тесту SPECint92 соответствует 366. Иными словами, новый процессор превосходит аналогичный показатель даже для RISC-архитектур. Число транзисторов основного кристалла составляет примерно 5,5, а кристалла кэш-памяти — соответственно 15,5 или 31миллион. При напряжении питания около 3 В процессор (вместе с кэш-памятью второго уровня) рассеивает примерно 14 Вт. Изделие выполнено в PGA-корпусе с 387 выводами.

Архитектура Pentium Pro позволяет соединять между собой множество процессоров, создавая таким образом непревзойдённую масштабируемость. Так, Министерство энергетики США создала систему, базирующуюся на 9тысячах процессоров.

Pentium II Xeon.

C начала июля 1998 года по всему миру проходила серия мероприятий, посвящённых представлению самого мощного процессора архитектуры х86корпорации Intel. Задолго доэтого из информации, размещённой на Web-сайтах Intel стало известно его название и назначение. Особо подчёркивалось, что слово Xeon нежно произносить как «Зеон», нороссийское представительство приняло решение подчинить это название нормам русского (и греческого) языка. Так что в России мы будем иметь дело с «Ксеоном», — ведь есть же у нас Ван Клиберн и Мехико.

Новый процессор, к слову, стал подарком компании-производителя самой себе по случаю тридцатилетия.

Первое, что бросается в глаза, — необычно крупный размер процессорного картриджа в который «пакуется» Xeon. Он предназначен для установки в разъём новой конструкции Slot 2. По словам разработчиков, это связанно с увеличением ёмкости кэш-памяти второго уровня. В настоящий момент процессоры Xeon с единой тактовой частотой поставляются в двух вариантах: с 512 Кбайт и 1 Мбайт кэша L2. Но уже в текущем году планируется довести ёмкость кэш-памяти второго уровня до 2 Мбайт и повысить тактовую частоту до 450 МГц. Напомню, что старый Pentium II комплектовался лишь 512 Кбайт.

Но ещё больший интерес вызывает тот факт, что конструкторы смогли «заставить» L2-кэш работать на тактовой частоте процессорного ядра. Напомню, что та же концепция была реализована в Pentium Pro, но при этом разработчики «столкнулись» на стадии производства (процент выхода двух качественных кристаллов оказался ниже предполагаемого), и процессор оказался довольно дорогим. Возможно, именно поэтому Pentium II изначально создавался с «разделением» кристаллов (основного и кэша L2), за что пришлось расплачиваться «половиной» тактовой частоты кэш памяти второго уровня.

Высокая частота работы кэша спровоцировала увеличение теплоотдачи процессорного блока, поэтому потребовалось использование массивной поглощающей тепло пластины, что, в свою очередь, привело к увеличению веса и габаритов модуля.

В каждом модуле Slot 2 три специальных области данных: доступная только для чтения, область для чтения/записи и динамическая информация о температуре внутри процессорного модуля. В области первого типа помещена информация о версии процессора, данные о пошаговой отладке и указана предельно допустимая температура. Во второю область памяти пользователи могут вводить свою информацию. Доступ к динамическим данным об изменении температуры даёт возможность управляющим программам оповещать администратора об опасных системных событиях.

Увеличение ёмкости кэша второго уровня повышает пропускную способность системы благодаря мгновенному доступу процессоров к часто используемым данным и инструкциям, хранящимся в быстрой кэш-памяти. По заявлению Intel, увеличение ёмкости кэша с 512 Кбайт до 1 Мбайт приводит иногда к 20% росту общей производительности системы.

Для объяснения этого явления уместно провести аналогию с холодильниками, используемую Intel: хранение запаса продуктов в холодильнике избавляет поваров ресторана от необходимости ездить по магазинам, закупая провизию. Чем больше холодильник, тем лучше, особенно в час пик, когда количество клиентов в ресторане резко возрастает. Так вот, в случае с сервером «холодильник» — это кэш-память второго уровня, а «магазин» (где доступны те же продукты) — в принципе более медленная системная память.

Большой кэш L2 значительно повышает общую производительность многопроцессорных конфигураций в системах, работающих с крупными массивами несопоставимых данных. По информации Intel, проведённые корпорацией тесты ZD ServerBench показали почти пропорциональный рост производительности системы по мере установки дополнительных процессоров с мегабайтным кэшем.

Усовершенствованная архитектура Xeon, допускающая 36-разряднуюадресацию физической памяти, теоретически позволяет процессору получать доступ к системной памяти ёмкостью до 64 Гбайт.

Новый механизм постраничного обмена Page Size Extension — 36 останется практически незаметной для глаз пользователя и разработчиков приложений. В настоящее время PSE-36 поддерживают операционные системы Windows NT, SCO UnixWareи Sun Solaris. Для остальных операционных систем потребуется обновить драйвер блока управления памятью.

Intel 450NX PCIset стал первым микросхемным набором, оптимизированным для Pentium II Xeon. Он выпускается в двух вариантах, Basic и Full, соответственно для серверных hi-end и систем среднегоуровня. Они имеют одинаковую структуру ядра, но отличаются производительностью и ценой.

Basic PCIset поддерживает до двух разъёмов 32-разрядной PCI, один -64-разрядной и до 4 Гбайт системной памяти типа EDO. Его более совершенный «родственник» Full PCIset поддерживает до четырёх слотов типа EDO. Эти чипсеты объединяет функционирование на 100-мегагерцовойчастоте системной шины и возможность поддержки многопроцессорных (до четырёх Xeon) конфигураций. 64-разрядная шина PCI способна существенным образом повысить общую производительность системы с учёт о оптоволоконной технологии обмена данными с дисковыми массивами, использования высокопроизводительных сетевых магистралей на основе АТМ, Gigabit Ethernet и других. Повышается, по сути, синхронизация мощности процессора и производительности подсистемы ввода-вывода.

Xeon, как я уже отмечал, предназначен не только для серверов, но и для рабочих и графических станций, для которых одним из важнейших параметров является производительность видеоподсистемы. Для н их разработан чипсет Intel 440GX AGPset на базе известного микросхемного набора 440BX. 440GX управляет работой порта AGP в режиме 2х. Режим удвоенной производительности реализуется благодаря так называемой технологии двойной накачки — данные передаются как по переднему, так и по заднему фронтам тактовых импульсов (у обычной AGP — только по переднему), при этом полоса пропускания достигает значения 533 Мбайт/с.

Физические параметры интерфейса AGP остаются прежними.

Ещё одой особенностью набора чипсета 440GX стала возможность обращения к памяти ёмкостью до 2 Гбайт, что в два раза больше, чем у его приемника.

Несмотря на тот факт, что в настоящий момент понятие многопроцессорности ассоциируется у Intel лишь с четырьмя устройства мина одной плате, ведутся работы по созданию симметричных мультипроцессорных систем, поддерживающих до восьми «Ксеонов». Разработки восьмиканального чипсета для Xeon ведутся фирмой Corollary, компанией Intel. И, само собой, возможны кластерные решения, скажем, на основе архитектуры распределённой памяти (NUMA). В обоих случаях, как правило, не требуется «переписывать» прикладные программы (правда, операционная система требует некоторой оптимизации).

В процессорной шине чипсета Intel 450NX PCIset предусмотрен так называемый разъём кластерного соединения, что упрощает построение кластерного соединения на основе стандартных четырёхпроцессорных узлов.

Ещё одним перспективным направлением является кластер с передачей сообщений. Суть её состоит в отсутствии разделения ресурсов. Отдельно стоящие узлы кластера обмениваются данными, например, тактовыми импульсами, сигнализирующими о нормальном состоянии системы. И хотяLAN-соединение остаётся работоспособным, существует необходимость в сети нового типа — так называемой SAN (System area Network).

В завершении хотела бы отметить, что некоторые ведущие западные производители (IBM, NCR, Dell) уже начали поставки систем на базе Xeon, а на презентации процессора в России компании Kraftway и «Вист» также представили свои новые серверные решения. Ориентировочные цены на Pentium Xeon составят 1124 долларов (L2 512 Кбайт) и 2836 долларов (L2 1Мбайт) при поставках от тысячи штук.

Несколько слов о производительности.

До недавнишнего времени основной мерой производительности микропроцессоров (да и компьютеров) считалась их тактовая частота работы, и это было, вообще говоря, справедливо. Однако по мере усложнения архитектуры микропроцессоров (RISC — ядро, встроенная кэш-память, технология внутреннего умножения тактовой частоты) данный параметр работы устройств, хотя и остаётся важным показателем их производительности, уже не является определяющим. Именно этим можно объяснить, например, тот факт, что микропроцессор i486SX-25производительнее i386DX-33.

В 1992 году фирма Intel предложила индекс для оценки производительности своих микропроцессоров — iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). Сам индекс представляет из себя число, которое отражает относительную производительность данного устройства по сравнению с другими микросхема семейства х86 и Pentium. Производительность процессора 486SX-25 принимается за 100. Заметим, что новый индекс не заменяет известные тестовые программы (benchmark) уже хотя бы потому, что измеряет относительную производительность микропроцессора, а не системы в целом. Кстати говоря, при вычислении индекса iCOMP учитываются операции со следующими «взвешенными компонентами (числами): 16-разрядные целые (67%), 16-разрядныедействительные (3%), 32-разрядные целые (25%), 32-разрядныедействительные (5%). К слову, именно величина производительности с индексом iCOMP использовалась фирмой Intel в новой системе маркировки процессоров Pentium, например 73 590 и 815 100 для тактовой частоты 90и 100 МГц. Следует, однако, учитывать, что в реальных системах другое соотношение производительности процессоров. Связанно это как с особенностями конкретных системных плат, так и, в случае с Pentium, с тем, что для достижения максимальной производительности требуется оптимизация программных кодов.