Обзор архитектуры современных многоядерных процессоров

Процессоры Sun UltraSPARC T1, Sun UltraSPARC T2, SPARC T3, SPARC T4

Начиная разработку микроархитектуры UltraSPARC Architecture, ком-пания Sun Microsystems подошла к процессу с позиций, существенно отличающихся от остальных производителей. В многоядерных процессорах Intel, AMD и IBM каждое ядро фактически является полноценным испол-нительным устройством, ориентированным на выполнение кода общего назначения, а в процессорах семейства Cell SPE-ядра, напротив, в принципе не могут исполнять такой код и, по сути, являются сопроцессорами.

Рис. 1.7. Процессор Sun UltraSPARC T1

В основу процессоров UltraSPARC T1 (кодовое имя Niagara, см. рис. 1.9), выпущенных на рынок в 2005 г., UltraSPARC T2 (кодовое имя Niagara-2), выпущенных в 2007 г., SPARC T3, выпущенных в 2010 г., и SPARC T4, выпущенных в 2011 г., положена идея "многопоточности" для достижения высокой производительности не путем ускорения выполнения одного потока команд, а за счет обработки большого числа потоков в единицу времени. В результате процессоры UltraSPARC T1 способны выполнять 32 потока одновременно (на восьми "четырехпоточных" ядрах), а процессоры UltraSPARC T2 – 64 потока (на восьми "восьмипоточных" ядрах). Эта многопоточность аппаратная (как, например, HyperThreading у компании Intel), т. е. операционная система воспринимает UltraSPARC T1 и UltraSPARC T2 как 32 и 64 процессора соответственно. Процессор SPARC T3 может содержать до 16 ядер по 8 потоков на каждом, а SPARC T4 – 8 ядер по 8 потоков на каждом.

В процессорах UltraSPARC T1 и T2 компания Sun реализовала техно-логию, названную ими CoolThreads, позволяющую значительно снизить энергопотребление – у процессоров UltraSPARC T1 не превышает 79 Вт (по 2,5 ватта на поток), а у процессоров UltraSPARC T2 – 123 Вт (всего 2 ватта на поток).

• Технические характеристики процессора Sun UltraSPARC T1:
• Тактовая частота: 1,0 или 1,2 ГГц.
• Число ядер: 8 (по 4 потока на каждое).
• Кэш инструкций первого уровня: 16 КБ на каждое ядро.
• Кэш данных первого уровня: 8 КБ на каждое ядро.
• Кэш второго уровня: 3 МБ (общий на все ядра).
• Интерфейс JBUS с пиковой пропускной способностью 3,1 GB/с, 128-битной шиной частотой от 150 до 200 МГц.
• 90-нм технологический процесс.
• Энергопотребление: 72 Вт, пиковое – 79 Вт.

Переключение между потоками в процессоре UltraSPARC T1 осуществляется по циклической схеме на каждом такте, т. е. в каждый конкретный момент времени активен только один из четырех потоков ядра. Однако в случае, если в потоке возникает простой (например, при кэш-промахе), ядро переключается на работу с другим потоком. Такая стратегия позволяет скрыть возникающие задержки доступа к памяти при наличии достаточного количества потоков исполнения. Ядра UltraSPARC T1 по функциональности аналогичны процессорам предыдущего поколения UltraSPARC III, но существенно упрощены архитектурно, например сокращены возможности прогноза ветвлений и спекулятивного выполнения команд, а число стадий конвейера уменьшено до шести (14 в UltraSPARC III).

Интересная особенность процессоров UltraSPARC T1 и T2 – наличие встроенного в ядро криптографического модуля (сопроцессора), реализующего на аппаратном уровне алгоритм RSA с 2048-разрядными ключами. Сопроцессор ядер в UltraSPARC T2 дополнительно поддерживает алгоритмы шифрования DES, 3DES, RC4, AES, SHA, MD5, CRC, а также алгоритм генерации случайных чисел.

Основной недостаток процессора UltraSPARC T1 – наличие в процессоре только одного блока вычислений над числами с плавающей точкой, доступного для всех потоков всех ядер. В процессоре UltraSPARC T2 эту проблему решили – у каждого ядра есть собственный модуль для выполнения операций с вещественными числами. Также в UltraSPARC T2 была поднята максимальная тактовая частота – до 1,4 ГГц. Плюс к этому – увеличен объем кэша второго уровня до 4 МБ, однако, в отличие от UltraSPARC T1, кэш не общий, а раздельный – по 512 КБ на каждое ядро. Кроме того, в процессор интегрированы два 10-Gbit контроллера Ethernet и контроллер шины PCI Express.

В процессоре SPARC T3 по сравнению с UltraSPARC T2 увеличен кэш второго уровня до 6 МБ, увеличена пропускная способность внешних интерфейсов, увеличено количество аппаратно поддерживаемых алгоритмов шифрования, увеличена максимальная тактовая частота до 1,67 ГГц. Производится процессор по технологии 40 нм. В одной системе может быть установлено до четырёх процессоров SPARC T3.

В процессоре SPARC T4 реализовано внеочередное выполнение целочисленных команд, максимальная частота достигает 3 ГГц, а кэш 3-го уровня, размером 4 МБ, является общим для всех ядер.