Восьмое поколение процессоров: Itanium

Процессор Itanium был представлен в мае 2001 года и в настоящее время является наиболее производительным процессором компании Intel, предназначенным главным образом для серверного рынка. Если бы Intel все еще использовала числа для наименования процессоров, то Itanium на полном основании получил бы название 886, как процессор восьмого поколения семейства Intel. Он представляет собой наиболее значительное архитектурное достижение со времен процессора 386.

Itanium является первым процессором семейства IA-64 (64-разрядная архитектура Intel), содержащим новаторские, повышающие производительность системы средства, к числу которых относятся прогнозирование и упреждающее выполнение. Процессоры семейства IA-64, как ожидается, расширят возможности архитектуры Intel, что очень важно для реализации высокоэффективных серверов и рабочих станций. Ряд промышленных компаний, среди которых ведущие изготовители рабочих станций и серверов, создатели операционных систем и множество независимых разработчиков программного обеспечения, уже публично заявили о своей поддержке процессора Itanium и семейства изделий с архитектурой IA-64.

Основные технические характеристики процессора Itanium приведены ниже.

• · Тактовая частота процессора — 733 и 800 МГц.
• · Три уровня интегрированной кэш-памяти: унифицированная встроенная кэш-память третьего уровня объемом 2 или 4 Мбайт, работающая на полной частоте ядра, содержащая интегрированную 128-разрядную шину кэша; унифицированная встроенная кэш-память второго уровня объемом 96 Кбайт, работающая на полной частоте ядра; сегментированная кэш-память первого уровня объемом 32 Кбайт (16 Кбайт для кэш-памяти инструкций и 16 Кбайт для кэш-памяти данных).
• · 64-разрядная (плюс 8 разрядов для выполнения ECC) шина процессора с тактовой частотой 266 МГц и пропускной способностью 2,1 Гбайт/с.
• · Количество транзисторов — 25 млн плюс до 300 млн транзисторов в кэш-памяти третьего уровня.
• · Адресация до 16 Tбайт (терабайт) физической памяти (44-разрядная шина адреса).
• · Полная совместимость с 32-разрядными инструкциями аппаратного обеспечения.
• · Технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing), позволяющая выполнять до 20 операций за один такт.
• · Два целочисленных модуля и два блока памяти, позволяющие выполнять до четырех инструкций за один такт.
• · Два модуля FMAC (Floating-point Multiply Accumulate) с 82-разрядными операндами.
• · Каждый модуль FMAC позволяет выполнить до двух операций с плавающей запятой в течение одного такта.
• · Два дополнительных модуля MMX, каждый из которых позволяет выполнить до двух операций FP с обычной точностью.
• · В целом в течение одного такта может быть выполнено до восьми операций FP (Floating-point).
• · 128 регистров для работы с целыми числами, 128 регистров с плавающей запятой, 8 регистров разветвления, 64 регистра предиката.
• · Корпус размером 3,5 дюймов (примерно 75,125 мм) содержит процессор и кэш-память третьего уровня объемом 4 или 2 Мбайт соответственно.
• · Специализированный силовой разъем корпуса улучшает целостность сигнала.

Intel и Hewlett-Packard начали разработку процессора P7 еще в 1994 году. В октябре 1997 года, через три года после начала работы над созданием новой архитектуры микропроцессора, эти компании официально объявили некоторые технические данные нового процессора.

Itanium — первый микропроцессор, в основу которого положена 64-разрядная архитектура IA-64. Это совершенно новая архитектура процессора, в которой используется концепция VLIW (Very Long Instruction Words — очень длинные командные слова), предсказание команд, удаление перехода, упреждающая загрузка и другие усовершенствованные методы, позволяющие увеличить параллелизм программного кода. Новая микросхема будет содержать как элементы RISC, так и CISC.

Существует еще одна новая архитектура, которую Intel называет EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing — команды явно параллельных вычислений); эти команды дают указание процессору выполнять одновременно несколько команд. В Itanium в 128-разрядном слове закодированы три команды, каждая из них будет содержать еще несколько дополнительных битов, в отличие от сегодняшних 32-разрядных команд. Дополнительные биты позволяют адресовать большее количество регистров и используются для управления процедурой параллельного выполнения команд в процессоре. Все это упрощает проектирование процессоров со многими модулями для параллельного выполнения команд и позволяет повысить их тактовую частоту.

Другими словами, помимо способности одновременно выполнять несколько отдельных команд внутри процессора, Itanium может связываться с другими микросхемами и создавать среду параллельной обработки.

Помимо новых возможностей и абсолютно новой 64-разрядной системы команд, Intel и Hewlett-Packard гарантируют полную совместимость «вниз» от Itanium до нынешнего 32- разрядного программного обеспечения Intel x86 и программного обеспечения PA-RISC компании Hewlett-Packard. В Itanium объединены три различных процессора в одном, а это значит, что Itanium сможет одновременно выполнять усовершенствованное, явно «параллельное» программное обеспечение с архитектурами IA-64, Windows (с архитектурой IA-32) и программы HP-RISC UNIX. Таким образом, Itanium поддерживает 64-разрядные команды при сохранении совместимости с сегодняшними 32-разрядными приложениями. Это наверняка будет способствовать увеличению спроса на них.

Чтобы использовать IA-64, понадобится перетранслировать программы для новой системы команд. Подобное требовалось выполнить и в 1985 году, когда Intel представила 80 386 — первый 32-разрядный процессор. Он должен был стать платформой для усовершенствованной 32-разрядной операционной системы. Чтобы 386-й и последующие 32-разрядные процессоры были приняты рынком, они должны были выполнять 16-разрядный код. Для того чтобы использовать преимущества 32-разрядных компьютеров, первым из которых был 386-й, необходимо было написать новое программное обеспечение. К сожалению, индустрия создания программного обеспечения развивается намного медленнее индустрии аппаратных средств.

Прошло целых 10 лет после появления процессора 386, прежде чем Microsoft выпустила Windows 95 — первую 32-разрядную операционную систему. С процессором Itanium этого не случится, так как он уже имеет поддержку четырех операционных систем, в число которых вошли Microsoft Windows (64-разрядный XP Edition и 64-разрядный Windows Advanced Server Limited Edition 2002), Linux (от четырех компанийдистрибьюторов: Red Hat, SuSE, Caldera и Turbo Linux) и две версии Unix (HP-UX 11i v 1.5 от Hewlett-Packard и AIX-5L от IBM).

Однако, несмотря на это, скорее всего, потребуется несколько лет, чтобы рынок программного обеспечения переориентировался на 64-разрядные операционные системы и 64-разрядное программное обеспечение. Сейчас установлено очень много 32-разрядных процессоров, и обратная совместимость с 32-разрядным режимом позволит Itanium быстро выполнять 32-разрядное программное обеспечение, поскольку для этого будут предусмотрены аппаратные средства, а не эмуляция с помощью программных средств.

Первые процессоры Itanium были созданы по 0,18-микронной технологии; но новые версии уже создаются по 0,13-микронной технологии. В процессоре Itanium используется новый тип корпуса Pin Array Cartridge (PAC). Этот корпус содержит кэш-память третьего уровня и подключается в разъем PAC418 (418 выводов), установленный на системной плате. Размеры корпуса составляют примерно 75×125 мм, вес — около 170 г. В нижней части корпуса находится металлическая пластина, предназначенная для рассеивания тепла. Корпус Itanium имеет четыре фиксатора, используемых при установке процессора в системную плату. Itanium содержит три уровня кэш-памяти. Кэш-память первого уровня связана с исполнительным модулем и поддерживается встроенной кэш-памятью второго уровня. Кэш-память третьего уровня объемом 2 или 4 Мбайт размещена на отдельном кристалле в корпусе процессора.

В 2002 году выпустили следующую версию 64-разрядного процессора Itanium (кодовое имя McKinley), созданную также по 0,18-микронной технологии. McKinley, имеет встроенную кэш-память второго уровня большего объема и тактовую частоту более 1,5 ГГц, т. е. примерно вдвое больше, чем Itanium. За McKinley выпустили процессор Madison, созданный уже по 0,13-микронной технологии.

Кто спрашивал про Pentium 5 (Публикация журнала «Мир ПК» 16 марта 2004 года) Корпорация Intel произвела очередной процессорный залп: анонсированы 3,4-ГГц процессор Pentium 4 Extreme Edition, 3,4-ГГц Pentium 4 с ядром NorthWood, а также пять модификаций столь ожидаемого процессора под кодовым названием Prescott. Некоторые читатели просили рассказать про Pentium 5, однако они слишком далеко забежали вперед, ЦП по-прежнему называется Pentium 4. По неофициальной информации, Prescott будет выпускаться, пока не достигнет частоты 4,5 ГГц.

Однако новый Pentium 4 заметно отличается от предыдущего. Например, он выполнен по проектной норме 90 нм с применением технологии «растянутого» кремния. Благодаря миниатюризации транзисторов удалось увеличить кэш второго уровня до 1 Мбайт, практически не изменив площадь кристалла — 237 мм². Сохранив архитектуру NetBurst, процессор Pentium 4 совершенно изменил свой облик: благодаря компьютерному проектированию отдельные вычислительные блоки на кристалле теперь незаметны, они распределены по всей площади. Таким образом удалось минимизировать пути между блоками, а также нивелировать последствия точечного нагревания. Похоже, эта проблема была одной из приоритетных при построении нового процессора: кроме изменения расположения элементов определена минимальная температура ЦП. Если она опускается ниже определенного уровня, то уменьшается скорость вращения вентилятора. В результате по всей поверхности кристалла обеспечивается равномерное распределение тепла, без локальных перегревов.

Как уже сообщалось ранее, Intel улучшила поддержку технологии Hyper-Threading. По утверждению представителей компании, выигрыш в производительности от ее применения теперь в среднем составляет 20%.

Расширен также набор мультимедийных инструкций, получивших название SSE3. Одна из целей введения новых инструкций — ускорение кодирования видео.

Новые процессоры Prescott поддерживаются существующими наборами микросхем Intel 875 и 865. Со 2 февраля пользователям доступны кристаллы 2,80A ГГц, 2,80Е ГГц, 3,0Е ГГц, 3,20Е ГГц, 3,40Е ГГц. Литерой Е обозначаются ЦП с ядром Prescott, чтобы отличать их от процессоров на базе Northwood. Все они работают на 800-МГц системной шине и поддерживают технологию Hyper-Threading. Модификация 2,8A также выполнена на новом ядре, но поддерживает лишь 533-МГц шину и не работает с Hyper-Threading.

По прогнозу Пола Оттелини, вице-президента Intel, к концу второго квартала поставки процессоров Prescott будут составлять уже 60% от общего количества ЦП компании Intel.