Развитие микропроцессоров

    i486SX 

Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой 

20 МГц работают  быстрее (примерно на 40%) компьютеров,  основанных на i80386DX с тактовой  частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержит на кристалле и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривается несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно-реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т. д. Для микропроцессоров семейства i486 допускается адресация физической памяти размером 64 Тбайт. 

    i80386SL 

К концу 1991 года 32-разрядные микропроцессоры стали  стандартными для компьютеров типа лэптоп и ноутбук, однако обычные микросхемы i80386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных компьютеров. Для удовлетворения потребностей этого сегмента рынка в 1990 году фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно 855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представляет собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого дополнена ещё несколькими вспомогательными контролерами. По существу, все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контролере i82360SL. В набор i82360SL впервые введено новое прерывание, называемое System Management Interrupt (SMI), которое может быть использовано для обработки событий, связанных, например, с управлением потребляемой мощностью. Вместе с математическим сопроцессором i80386SL данный набор микросхем позволяет создать 32-разрядный компьютер на площади, не намного превышающий размер игральной карты. 

    i486SL 

Микросхема i486SL представляет собой самый производительный процессор серии SL, разработанный  фирмой Intel. Анонсированная в конце 1992 года, эта микросхема объединяет характерные черты двух представителей процессорных семейств Intel: i486DX и i80386SL. По производительности новый процессор не уступает i486DX, но благодаря пониженному напряжению питания (3, 3 В) и развитой технологией управления энергоснабжения (как в i80386SL) он может эффективно использоваться в портативных компьютерах. Производительность системы на базе i486SL можно существенно улучшиться благодаря 16-разрядной шине высокоскоростного периферийного интерфейса PI, которая поддерживает быстрый интерфейс графического дисплея и устройств хранения информации на основе флэш-памяти. По некоторым оценкам, системная плата компьютера на базе i486SL примерно на 60% меньше, чем при использовании i80386SL, а среднее время автономной работы компьютера-блокнота (около 3 часов) может увеличится на один час только за счёт использования нового микропроцессора. 

Кстати, с конца 1993 года фирма Intel начала выпускать  новую серию микропроцессоров 486SL Enhanced, которая заменила 5-вольтовые 486SX, 486DX, 486DX2, и OverDrive-процессоры. Подобные процессоры имеют напряжение питания 3, 3 В и развитую технологию энергосбережения, что полностью соответствует американской национальной программе Energy Star. 

    Процессоры  с умножением частоты. 

В марте 1992 года фирма Intel объявила о создании второго  поколения микропроцессоров 486. Эти микропроцессоры, названные i486DX2, обеспечили новую технологию, при которой скорость работы внутренних блоков микропроцессора в два раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50(66) МГц и эффективной по стоимости 25/33-мегагерцовой системной платой. Новые микропроцессоры по прежнему включали в себя центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память на 8 Кбайт. Компьютеры, поставляемые на базе микропроцессоров i486DX2, работают приблизительно на 70% производительней тех, что основаны на микропроцессорах i486DX первого поколения. Несколько позже появились процессоры i486SX2, в которых, как следует из названия, отсутствует встроенный сопроцессор. 

Следует напомнить, что технология умножения частоты  стала использоваться также в  процессорах OverDrive. Кстати, как заявляют представители фирмы Intel, OverDrive - это  не конкретные микросхемы, а, скорее, новая  методология замены процессоров. По сути, основное различие между процессорами серии DX2 и OverDrive Intel состоит в том, что первые монтируются на системных платах ещё при сборке компьютеров, а вторые должны устанавливаться самими пользователями. Внутренние функциональные узлы подобных устройств (математический сопроцессор, кэш, устройство управления памятью, арифметико-логическое устройство) используют удвоенную тактовую частоту, в то время как остальные элементы системной платы (системная и внешняя кэш-память, вспомогательные микросхемы) работают с обычной скоростью. Такой“фокус”позволяет увеличить производительность системы, как правило, за счёт хранения части данных и выполняемых кодов программ во внутренней кэш-памяти. Понятно, что в противном случае игра не стоила бы свеч: какой смысл уменьшать время обработки типа регистр-регистр, если потом придётся сравнительно долго ждать новых операндов из внешней памяти? Отметим, что повышение производительности процессоров сопровождается существенным увеличением потребляемой мощности. В настоящее время технология умноженной частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной или три раза) находит широкой практическое применение во всех современных процессорах. Так, фирма Intel выпускала серию микропроцессоров с умножением частоты - DX4 (кодовое название P24C ). Процессоры этого семейства - 486DX4-75, 486DX4-83 и 486DX4-100 имеют кэш-память 16 Кбайт и предназначены для установки с системные платы, работающие на тактовой частоте 25 и 33 МГц. Напряжение питания этих процессоров составляет 3, 3 В, количество транзисторов на кристалле - 1, 6 миллиона. 

    Pentium 

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, 1 миллиона транзисторов и имеет 32-разрядную адресную и 64-разрадную внешнюю шину данных, что обеспечивает обмен данными с системной платой со скоростью до 528 Мбайт/с. В отличие от 486-х процессоров, для производства которых использовалась CMOS-технология, для Pentium фирмы Intel применила 0, 8-микронную BiCMOS-технологию. 

Pentium с тактовой  частотой 66 МГц имеет производительность 112 MIPS (миллионов операций в секунду). Суперскалярная архитектура содержит два пятиступенчатых блока исполнения, работающих независимо и обрабатывающих две инструкции за один такт синхронизации. Pentium имеет два 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 с восмиступенчатой конвейеризацией, что позволяет выполнять операции с плавающей точкой за один такт. Как известно, в процессорах i486 специального 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. 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 31 миллион. 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 9 тысячах процессоров. 

    Pentium II Xeon 

C начала июля 1998 года по всему миру проходила  серия мероприятий, посвящённых  представлению самого мощного  процессора архитектуры х86 корпорации Intel. Задолго до этого из информации, размещённой на Web-сайтах Intel стало известно его название и назначение. Особо подчёркивалось, что слово Xeon нежно произносить как“Зеон”, но российское 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-разрядную адресацию 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 UnixWare и 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 среднего уровня. 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-мегагерцовой частоте системной шины и возможность поддержки многопроцессорных (до четырёх Xeon) конфигураций. 64-разрядная шина PCI способна существенным образом повысить общую производительность системы с учётом 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.