Примеры суперскалярных микропроцессоров

Pentium III

The AMD Athlon (K7)

Шина AMD Athlon

Проблемы архитектуры х86 Ограниченное адресное пространство Ограниченное число РОН Неудовлетворительные способности к масштабируемости Несовместимость 32- и 64-битных архитектур и приложений

AMD Opteron

На процессорах AMD Opteron построен суперкомпьютер Red Storm – Sandia, занимающий VI место в списке top500 (Ноябрь 2007)Red Storm – Sandia Название: Red Storm Компьютер: Sandia/ Cray Red Storm, Opteron 2.4 GHz dual core Процессор: AMD x86_64 Opteron Dual Core 2400 MHz (4.8 GFlops) Количество процессоров: Производительность (GFlops): –Максимальная: (Linpack) –Пиковая:

Свойства AMD64 Ядро AMD64 (х86-64 ) Одновременное исполнение 32-разрядного и 64- разрядного кода. Преодолен барьер 4 Гбайт для памяти, присущий 32- разрядным системам. Интегрированный контроллер памяти DDR Увеличенная скорость выполнения приложений за счет существенного сокращения латентности ОП. Канал HyperTransport Пиковая пропускная способность до 19 Гбайт/с на процессор, что уменьшает узкие места в системе ввода/вывода. Технология HyperTransport масштабируется в зависимости от количества процессоров.

AMD Athlon64/Opreron

Подсистема памяти 64-разрядная виртуальная адресация Плоское адресное пространство 64-битные регистры –8 новых РОН (R8-R15) –8 новых регистров SSE (xmm8-xmm15) КЭШ L1: Кбайт, 2-ассоциативный КЭШ L2: 1024 Кбайт, 16-ассоциативный

x86-64 Programmers Model Added by x86-64 XMM8 XMM15 R8 R15 RAX 63 x87x87x87x In x86 XMM0 XMM7 SSESSESSESSE 1270 EIP 031 Program Counter AH EAX AL GPRGPRGPRGPR EAX EDI EAX AHAL

Микроархитектура ядра Конвейер 12/17 стадий (int/fp) –3 устройства FPU: FAdd, FMul, FStore Поддержка x86, MMX, AMD64, 3DNow!, SSE, SSE2 128 бит контроллер памяти (+16 бит ECC) 3 шины HyperTransport (до 6.4 Гбит/с) Встроенная многопроцессорная логика TLB L1: 32 записи (общий, 2-ассоциатив- ный) TLB L2: 512 записей (общий, 4-ассоциатив- ный)

Работа конвейера Выборка (FETCH) 16 байт/такт Распределение по 3 OP в планировщики из декодировщика (буфер 24 OP ) Производительность FPU : –x87: 1 MUL + 1 ADD (1.9 FLOP/c max) –3DNow: 2 MUL + 2 ADD (3.4 FLOP/c max) Целочисленная производительность : –32 бита: 1 ADD + 1 MUL (3 такта) –64 бита: 1 ADD или 1 MUL (4 такта) Предсказание ветвлений: локальное + глобальное

Технология HYPERTRANSPORT HyperTransport – это высокопроизводи- тельный интерфейс, соединенный по принципу «точка-точка». Масштабируемая пропускная способность при обмене информацией с другими процессорами, подсистемами ввода/вывода и прочими устройствами. Поддержка до трех согласованных каналов HyperTransport (до 19,2 Гбайт/с). Пропускная способность одного канала (6,4 Гбайт/с) достаточна для PCI-X, DDR, InfiniBand, 10G Ethernet. Низкое энергопотребление (1,2 В) уменьшает общее тепловыделение.

Технология HYPERTRANSPORT 1 -- системная шина процессора; 2 -- интерфейс памяти; 3 -- межчиповое соединение; 4 -- интерфейсы ввода-вывода для шин.

Технология HyperTransport

Многопроцессорная система

Интегрированный контроллер памяти Изменяет порядок доступа центрального процессора к ОП, в результате чего увеличивается пропускная способность, уменьшается латентность памяти и увеличивается производительность процессора. Доступная пропускная способность памяти масштабируется вместе с числом процессоров. 128-разрядная шина памяти и интегриро- ванный контроллер памяти с поддержкой до 8 модулей памяти на процессор. Доступная полоса пропускная способность памяти до 5,3 Гбайт/с на процессор.

Интегрированный контроллер памяти

Power PC 970 FX ( Performance Optimization With Enhanced RISC)

Архитектура POWER сохраняет наиболее важные особенности RISC: фиксированную длину команд, архитектуру регистр-регистр, простые способы адресации и команд, большой регистровый файл, трехоперандный формат инструкций.

Архитектура PowerPC 970FX 64-разрядный микропроцессор, тактовая частота до 2,5 ГГц, пиковая производительность до 10 GFLOPS, основой Power 970 является процессор Power 4, система команд AltiVec.

Организация памяти « Плоское» адресное пространство (4TB). Кэш команд 1-го уровня составляет 64 Кбайт (прямоадресуемый). Кэш данных 1-го уровня имеет емкость 32 Кбайт и является двухканальной наборно-ассоциативной. Эта кэш-память блокируется. Кэш 2-го уровня имеет емкость 512 Кбайт. 32 целочисленных регистра, AltiVec-регистра и регистра с плавающей точкой. Регистры AltiVec-расширения и соответствующие пути данных разрядные. Остальные регистры 64-разрядные. 48 регистров каждого типа для переименования.

Ядро PowerPC 970FX

Front End 970FX Выборка из кэша до 8 инструкций за такт и размещение в буфер. Декодирование PPC инструкций во внутренние инструкции (IOPs). -- PPC инструкция транслирует в одну IOP, -- некоторые PPC инструкции (групповая записи из регистров в память) транслируется (crack (взламывать)) в две IOPs и более (милликодирование), Организация групп по 5 инструкций (4 обычные + 1 ветвления). Предварительная обработка занимает 9 ступеней конвейера. (Причина: выявление зависимости команд (например, по данным), препятствующих одновременному исполнению, и планирование объединения команд в группы диспетчеризации. )

Механизм предсказания перехода Таблица ветвлений на 16 тысяч записей. Дополнительная таблица ветвлений на 16 тысяч записей. С каждой записью дополнительной таблицы связан 11-битный вектор, в котором записывается путь исполнения, выбранный для последних одиннадцати групп. Таблица выбора отслеживает эффективность первых двух схем для каждой инструкции ветвления, и по ее данным делается выбор в пользу той или иной схемы предсказания в каждом отдельном случае.

Механизм предсказания перехода Таблица ветвлений (16 тысяч) Дополнительная Таблица ветвлений (16 тысяч) 11 – битный вектор … Таблица выбора (16 тысяч) … группа 1 группа 2 … группа 10 группа 11 …

Execution core Диспетчер распределяет IOPs из группы по шести очередям ИУ, причем пятую IOP всегда в устройство ветвления.

Функциональные устройства 2 целочисленных устройства 2 устройства записи/чтения 1 устройство ветвлений 1 устройство регистра условий 2 устройства с плавающей точкой 4 не универсальных векторных устройства для AltiVec

Конвейеры Целочисленный конвейер в PowerPC 970 – имеет 16 ступеней, 9 ступеней приходятся на выборку и декодирование команд. Конвейер загрузки регистров/записи в память имеет 17 ступеней, Конвейер для арифметики с плавающей точкой - 21 ступень, AltiVec-конвейеры - до 25 ступеней.

Конвейеры

Векторное расширение Power PC 970 Устройство AltiVec Устройство перестановки Простое целочисленное устройство Комплексное целочисленное устройство Вещественное устройство Регистры битных регистра 16 дополнительных под переименование

Векторное расширение Power PC 970 В AltiVec-блоке две очереди. Первая (16 строк) в блок команд перестановок и слияния, Вторая (20 строк) к трем устройствам, выполняющим целочисленные SIMD-коман- ды и команды с плавающей точкой. 128 бит данных используются при работе с векторами, имеющими элементы длиной 8, 16 или 32 бит для целых чисел и 32 бит для чисел с плавающей точкой.

Отличие комбинации PowerPC + AltiVec Важное отличие комбинации PowerPC + AltiVec от Opteron + SSE2 или Pentium 4 + SSE2 состоит в том, что PowerPC обладает «полноценными» FPU с тридцатью двумя 64- разрядными регистрами, и ему не требуется расширение для чисел с такой точностью. AltiVec, как и SSE, работает с векторами чисел с максимальной точностью лишь 32 бита, в то время как SSE2 поддерживает 64-битные числа. В противоположность этому Pentium 4 и в меньшей степени Opteron, из-за совместимости с ранними процессорами (вплоть до 8087), имеют весьма неэффективный блок плавающей точки в худших традициях CISC, и для его замены потребовалось создавать SSE2. В итоге в большинстве вычислительных задач PowerPC использует свой RISC-FPU, а Opteron и Pentium 4 SSE2, что дает PowerPC несколько большую гибкость.

Шины Двунаправленная шина данных с пиковой пропускной способностью до 7,2 Гбайт/с. Одна шина шириной в 32 бита предназначена только для чтения, другая шириной в 32 бита только для записи. Шины работают на частоте, в четыре раза меньшей частоты процессорного ядра. Недостаток двунаправленной шины состоит в том, что во многих приложениях процессору приходится считывать большие объемы данных, и в этом режиме пиковая пропускная способность достигнет только 3,6 Гбайт/с.

Характеристики ядра PowerPC За такт PowerPC может предсказать до двух переходов, выбирать до восьми команд, диспетчерезировать до пяти команд, выдать в исполнительные устройства до восьми команд и завершить выполнение до пяти команд.

Сравнение характеристик