Структура рынка современных микропроцессоров

 

Современные микропроцессоры  компании АМD

 

Успешную конкуренцию  микропроцессорам Intel составляет продукция  компании AMD. По ряду показателей микропроцессоры  этой компании занимают лидирующее положение. Отдельные интересные архитектурно-технические  решения, впервые примененные в  микропроцессорах AMD, впоследствии получили распространение в изделиях других производителей, в том числе и  в микропроцессорах компании Intel.

 

Микропроцессор К5

 

В течение ряда лет AMD, отставая от Intel по крайней мере на одно поколение  микропроцессоров, полагалась в основном на лицензированную технологию и  вносила незначительные конструктивные изменения в выпускаемые микропроцессоры. Появление микропроцессора Pentium создало  лля AMD прямую угрозу вытеснения с рынка, что стимулировало компанию к  интенсификации работ по созданию нового семейства х86-совместимых микропроцессоров. Работы над К5 были начаты, когда  еще не были известны подробности  о процессоре Pentium. Инженерам AMD пришлось разрабатывать собственную микроархитектуру, обеспечивая при этом совместимость  с существующим программным обеспечением для процессоров х86.

Первоначально AMD планировала  начать поставки своего микропроцессора  с тактовой частотой 100—120 МГц в 1995 году, однако было выпущено лишь несколько  тысяч таких процессоров, а их тактовая частота составила всего 75 МГц. Основные поставки К5 начались в  первом квартале 1996 года, после того как компания перешла на 0,35 мкм технологию, разработанную совместно с Hewlett-Packard. Это позволило довести число транзисторов до 4,2 млн на кристалле площадью 167 мм2.

К5 ]68] — это первый микропроцессор AMD, при создании которого не использовалась никакая интеллектуальная собственность Intel (за исключением микрокода), в  то же время, он обладает лучшей по сравнению  с процессорами Intel производительностью. Многие приложения, такие как Microsoft Excel, Word, CorelDRAW, работали на процессорах  серии К5 на 30% быстрее, чем на Pentium с той же тактовой частотой. Такая  производительность достигалась в  основном за счет увеличенного объема кэш-памяти и более прогрессивной  суперскалярной архитектуры. Используемая в микропроцессорах AMD архитектура RISC86 .

Как известно, команды х86 отличает переменная длина и сложная  структура, затрудняющие их декодирование  и анализ существующих зависимостей между инструкциями по данным. В  предлагаемой AMD архитектуре декодер, представляющий собой наиболее сложную  часть микропроцессора, раз бивает длинные CISC-инструкции на небольшие RISC-подобные комгюнен ты, так называемые ROP (RISC-операции).

ROP напоминают команды  микрокода микропроцессоров х86. Первые микропроцессоры с архитектурой  х86 выполняли свой сложный набор  микрокоманд, выбирая из внутренней  постоянной памяти микрокод. В  последних микропроцессорах х86 использование  микрокода сведено к минимуму  за счет применения простых  команд и их аппаратной реализации.

В отличие от Pentium, вместо двух конвейеров для параллельного  выполнения двух целочисленных операций, К5 имеет шесть параллельно функционирующих  блоков. Одновременно с целочисленными операциями могут выполняться инструкции с плавающей точкой, загрузки/сохранения или перехода. Блок загрузки/сохранения может за один цикл выбирать из памяти две инструкции. Другим отличием от Pentium является то, что К5 может изменять последовательность выполняемых команд.

Блок выполнения операций с плавающей точкой (FPU) отвечает стандартам х86, однако по производительности несколько уступает FPU процессора Pentium.

Использованное в архитектуре  К5 сочетание принципов CISC и RISC позволило  преодолеть ограничения набора команд х86. Ценой увеличения сложности процессора AMD удалось повысить его производительность, сохранив совместимость с системой команд х86. Последнее весьма важно  с учетом широкой распространенности программного обеспечения для этой микропроцессорной архитектуры.

 

 

Микропроцессор К6

 

Микропроцессор К6 был  выпушен в 1997 году по технологии КМОП 0,35 мкм с пятислойной металлизацией, содержал 8,8 млн транзисторов на кристалле  площадью 162 мм2, работал с тактовыми  частотами 166, 200 и 233 МГц и устанавливался в разъем Socket 7.

Как и в К5, в К6 была применена  суперскалярная архитектура RISC86 с раздельным декодированием/исполнением команд, обеспечивающая преемственность с  системой команд х86 и достижение высокой  производительности, свойственной микропроцессорам шестого поколения. К6 был оснащен  мультимедийным расширением системы  команд— ММХ. По производительности К6 при одной и той же тактовой частоте существенно превосходил Pentium ММХ и был сравним с Pentium Pro. В отличие от Pentium Pro, К6 одинаково  успешно работал как с 32-разрядными, так и с 16-разрядными приложениями.

Высокая производительность процессора обеспечивалась благодаря  ряду новых архитектурных и технологических  решений.

• В процессоре выполняется преддекодирование команд х86 при их выборке в кэш-памяти. Каждая команда в кэш-памяти первого уровня снабжается битами преддекодирования, указывающими смещение начала следующей команды в кэш-памяти (от I до 15 байт).

• К6 содержит внутреннюю раздельную кэш-память первого уровня по 32 Кбайт для данных и команд.

• В процессоре реализован высокопроизводительный блок вычислений с плавающей точкой.

• Имеется высокопроизводительный блок мультимедийных операций стандарта ММХ.

• Используется множественное декодирование х86-инструкций в однотактовые RISC-операции (ROP).

•  Процессор содержит параллельные дешифраторы, централизованный планировщик операций и семь исполнительных блоков, которые обеспечивают суперскалярное выполнение инструкций в шестиступенчатом конвейере.

• В процессоре используется спекулятивное исполнение с изменением последовательности команд, предварительная посылка данных, переименование регистров.

В начале 1998 года были выпущены варианты процессора по технологии 0,25 мкм с пятью слоями металлизации для тактовых частот 266 МГц и 300 МГц.

 

Микропроцессор К7

 

Микропроцессор следующего поколения — К7 (кодовое имя Athlon) был выпущен в июне 1999 года . К7 содержит более 22 млн транзисторов на кристалле площадью 184 мм2 и изначально производился по технологии 0,25 мкм  с 6 слоями металлизации* для тактовых частот 500, 550, 600 и 650 МГц. Впоследствии, с переходом на технологию 0,18 мкм, частота была увеличена до 1 ГГц  и выше. Напряжение питания микропроцессора  составляет 1,6 В.

Процессор размешен в картридже  и соединяется с платой через Slot А, разработанный AMD. Athlon и Slot А используют шинный протокол Digital Alpha EV6, который  имеет ряд преимуществ по сравнению  с GTL+, используемым Intel. Так, EV6 предусматривает  возможность использования топологии "point to point" для мультипроцессорных систем. Кроме этого, EV6 работает по переднему и заднему фронту тактирующего сигнала, что при частоте 100 МГц дает эффективную частоту передачи данных 200 МГц и пропускную способность интерфейса 1,6 Гбайт/с. В последующих моделях процессора частота работы шины (эффективная частота) достигла значений 133 (266), а затем и 200 (400) МГц.

Архитектура, реализованная  в Athlon, получила название QuantiSpeed™, она  определяет суперскалярное, суперконвейерное выполнение команд, конвейерный блок вычислений с плавающей точкой, аппаратную предвыборку данных в кэш-память и усовершенствованную технологию предсказания ветвлений.

Athlon имеет девять исполнительных  блоков: три для обработки целочисленных  данных (IEU), три для вычисления  адреса (AGU) и три блока для вычислений  с плавающей точкой и обработки  мультимедийных данных (один для  загрузки/сохранения данных с  плавающей точкой (FSTORE) и два конвейерных  блока для исполнения команд FPU/MMX/3DNOW).

Athlon может декодировать  три команды х86 в шесть RISC-операций. После декодирования ROP попадают  в буфер, где ожидают своей  очереди на выполнение в одном  из функциональных блоков процессора. Буфер К7 содержит 72 операции (в  три раза больше чем у Кб) и выдает 9 ROP для 9 исполнительных  устройств.

Athlon имеет 128 Кбайт кэш-памяти  первого уровня (64 Кбайт для данных  и 64 Кбайт для команд). Для взаимодействия  с кэш-памятью второго уровня  предусмотрена специальная шина (как у архитектуры Р6 Intel), Кэш-память  второго уровня размером 512 Кбайт  расположена вне процессорного  ядра, в процессорном картридже,  и работает на половинной частоте  ядра.

Следующим микропроцессором с архитектурой К7 на ядре Thunderbird стал Duron — бюджетный вариант микропроцессора, ориентированный на дешевые ПК. Основным его отличием является уменьшенная  до 64 Кбайт кэшпамять второго  уровня. Duron содержит 25 млн транзисторов на кристалле 100 мм2 и рассчитан на частоты от 600 до 1200 МГц.

Размещение кэш-памяти на кристалле позволило разработчикам  отказаться от использования картриджа  и вернуться к разъему типа soket (462-контактный разъем Socket А). В процессорах Athlon и Duron работа кэшпамяти осуществляется по алгоритму, обеспечивающему эксклюзивность представления данных в кэшах (данные не дублируются в кэш-памяти первого  и второго уровней), что увеличивает  эффективный объем кзширован-ных  данных.

Благодаря примененным в  К7 новым архитектурно-техническим  решениям микропроцессорам AMD удалось  на 7—10% превысить производительность Pentium III при равных тактовых частотах.

Дальнейшее совершенствование  архитектуры и технологии производства микропроцессоров в рамках семейства  К7 привело к появлению двух новых  версий Athlon: Athlon XP й Athlon MP.

Основное отличие процессора AMD Athlon MP от AMD Athlon XP — использование  технологии Smart MP, которая представляет собой совокупность высокоскоростной двойной системной шины и протокола  когерентного кэша MOESI, управляющего пропускной способностью памяти, что необходимо для достижения оптимального баланса  работы процессоров в многопроцессорных  системах. Пропускная способность шины составляет 2,1 Гбайт/с, в расчете  на каждый процессор.

Процессор выпускается с  тактовыми частотами от I ГГц (технология 0,18 мкм) до 2,133 ГГц (технология 0,13 мкм, ядро Thoroughbred).