Современные вычислительные технологии и их аппаратные платформы
6.2. RISC-архитектуры как компромисс между системотехническими требованиями и технологическими возможностями микроэлектроники
История развития вычислительной техники связана с постоянным стремлением создателей компьютеров повысить их производительность.
В 1949 году был создан первый компьютер EDSAC. Он мог выполнять около 100 арифметических операций в секунду при тактовой частоте 50 000 Гц. Производительность современных компьютеров возросла в десятки миллионов раз, достигнув миллиардов операций в секунду.
Работы велись и ведутся в двух направлениях:
- совершенствуется технология производства элементной базы, в результате сокращаются топологические размеры, растет степень интеграции, растут тактовые частоты;
- создаются новые архитектуры, обеспечивающие более эффективную организацию вычислительного процесса.
Если посмотреть формально, то основной вклад в повышение производительности современных компьютеров обеспечен за счет новых архи-
тектурных решений. Вклад технологической составляющей, связанной с ростом тактовой частоты, достаточно скромен.
При этом нельзя забывать, что совершенствование структуры и архитектуры компьютеров невозможно без технологического прогресса в области микроэлектроники.
По мере развития технологий, обеспечивших стремительный рост степени интеграции, микропроцессорная техника прошла путь от реализации на одной микросхеме отдельных элементов и узлов компьютера до создания на одном кристалле многопроцессорной системы.
В настоящее время одним и важнейших критериев при определении архитектуры проектируемого процессора является соответствие предъявляемых ею системотехнических требований технологическим возможностям микроэлектроники.
Одним из архитектурных решений, оказавшим существенное влияние на развитие вычислительной техники в последние три десятилетия, стала RISC (reduced instruction set computer) архитектура.
История ее создания показывает с одной стороны, какую роль в развитии вычислительной техники могут сыграть достаточно простые архитектурные решения, а с другой стороны, какое значение в реализации научно-технического проекта имеют своевременное финансирование и его успешная коммерциализация.
Далее сделаем небольшой экскурс в историю создания RISC-архитектуры. В его основу положены статьи Леонида Черняка [304,305] и Сергея Орлова [306].
Исторически первой появилась архитектура, основанная на полном наборе команд, с появлением RISC архитектуры ее стали называть CISC (complex instruction set computer).
Она характеризуется наличием большого числа сложных команд. Это число достигает нескольких сотен. Команды не имели фиксированной длины. Использовалась сложная система адресации. Все это вынуждало использовать достаточно сложные схемотехнические решения. Архитектура сформировалась эволюционно. Ее особенности были обусловлены стремлением экономить наиболее дорогостоящие ресурсы, в частности оперативную память. На начальном этапе развития вычислительной техники CISC- архитектура была доминирующей [159,160].
Появление интегральных схем существенно изменило как технические характеристики используемой при проектировании процессоров элементной базы, так и стоимость вычислительных ресурсов. Изменилась шкала ценностей: основным приоритетом стало быстродействие. Это вызвало потребность в новых архитектурных решениях.
Ответом на этот вызов стало появление RISC-архитектуры. Понятие RISC в его современном понимании стало результатом выполнения трех
исследовательских проектов по созданию процессоров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.
RISC-архитектура предполагает реализацию при проектировании процессоров следующего принципа: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее.
Этот принцип был сформулирован в 1975 году группой сотрудников IBM под руководством Джона Кока [161], работавшей над созданием специализированного процессора для управления телефонной станцией. В качестве прототипа использовалась ЭВМ IBM/360. При анализе ее работы было установлено, что для решения поставленной задачи используется не весь набор команд процессора. В результате возникла идея сократить набор команд процессора.
В итоге появился проект универсального вычислительного устройства IBM 801 Project. В 1986 году на основе этого проекта 801была разработана рабочая станция IBM RT PC, а в 1990 году была создана рабочая станция RS/6000 на базе процессора POWER (Performance Optimized With Enhanced RISC) [304].
В 1980 году к идее сокращения числа команд процессора также пришли ученые из Стэндфордского университета и университета Беркли.
Им удалось получить финансирование своих исследований в рамках программы DARPA VLSI Program, целью которой была разработка универсальных наборов для создания компьютеров из готовых микросхем.
В Беркли разрабатывался однокристальный процессор, насчитывающий примерно 40 тыс. транзисторов и обеспечивающий программирование на языке Си и работу в среде ОС Unix. Он должен был составить конкуренцию компьютеру VAX-11/780 корпорации DEC. Проектом руководил Д. Паттерсон.
В итоге в 1984 году был создан 32-разрядный процессор RISC-II с 138 регистрами, работающий на частоте 3 МГц, который на целочисленных операциях по производительности превосходил VAX.
В Стэнфорде проектом руководил Д. Хеннесси. В качестве прототипа использовался компьютер PDP-10 компании DEC.
Успех RISC - архитектура во многом обусловлен ее широкой коммерциализации. Разработкой процессоров с этой архитектурой занимались компании MIPS Technology (MIPS), Hewlett - Packard (PA RISC), Sun Microsystem (SPARC), Motorola, Apple, IBM (PowerPC) и др.
Были сформированы базовые принципы RISC-архитектур:
- ограниченный набор простых команд, выполняемых за один такт;
- использование команд "регистр-регистр";
- доступ к памяти с помощью команд загрузки и выгрузки регистров;
- аппаратное управление;
- фиксированный формат и длина команд;
- ограниченное количество методов адресации.
- конвейерное выполнение команд
- наличие большого числа регистров общего назначения;
Этот список можно было бы дополнять. Необходимо подчеркнуть еще раз, что в основе всего лежит идея использования небольшого числа простых команд, позволившая существенно упростить устройство управления процессора, благодаря чему появилась возможность перераспределить площадь кристалла между функциональными устройствами процессора (увеличив, в частности сверхоперативную память).
Один из наиболее значимых результатов продвижения на рынок процессоров RISC-архитектуры - это известная PowerPC, которая является детищем альянса Apple, IBM и Motorola(AIM).
Это самый типичный, если не классический RISC-процессор. Существуют 32- и 64-разрядные версии PowerPC (причем 64-разрядные совместимы с 32-разрядным кодом), а равно и ряд стандартизованных расширений (набора инструкций AltiVec).
Достаточно долго RISC и CISC-архитектуры противопоставлялись друг другу. Но уже сегодня можно сказать, что грань между ними практически стерлась.
Ярким примером объединения идеи CISC- и RISC-процессоров является методика построения процессоров, основанная на концепции EPIC.
Основные принципы архитектуры EPIC были разработаны в университете Иллинойса. Архитектура EPIC объединяет различные технологические решения, которые обеспечивают существенное повышение скорости обработки и решение некоторых проблем трансляции программ. К этим решениям относятся:
- поддержка явно выделенного компилятором параллелизма;
- наличие большого регистрового файла;
- наличие предикатных регистров;
- спекулятивная загрузка данных из оперативной памяти;
- поддержка предикатного выполнения команд;
- аппаратная поддержка программной конвейеризации;
- механизм переименования регистров;
- наличие стека регистров;
- использование поддержки компилятора для предсказания инструкций;
- поддержка инструкций циклического выполнения команд.
Эта концепция была реализована компанией Intel в процессоре Itanium.
В заключении следует отметить.
- RISC-архитектура является хорошей иллюстрацией того, что любая предлагаемая архитектура должна соответствовать имеющимся технологиям.
- Упех RISC-технологий был обусловлен максимальной консолидацией финансовых и интеллектуальных ресурсов США под эгидой Агентства по прорывным исследовательским проектам в области обороны, успешное продвижение инновационной технологии обеспечила коммерциализация инновационного проекта, изменившего стратегию создания изделий вычислительной техники.