Интеграция компонентов в одном кристалле позволяет существенно упростить и удешевить системы, реализуемые на основе данного микропроцессора. Благодаря встроенному сетевому интерфейсу упрощается объединение микропроцессоров в высокопроизводительные многопроцессорные системы. Сетевой интерфейс поддерживает 4 межпроцессорных соединения типа «точка-точка» со скоростью передачи данных 10 Гбайт/с каждый при задержке 15 нс. Сетевой интерфейс обеспечивает когерентность кэшей в многопроцессорной системе и реализует асинхронный обмен данными с адаптивной маршрутизацией. Пример структуры многопроцессорной системы на основе микропроцессоров Alpha 21364 показан на рис. 3.3:

Рисунок 3.3 - Пример структуры многопроцессорной системы

Микропроцессор имеет пятый порт - ввода-вывода, работающий на скорости обмена 3 Гбайт/с.

Процессоры Alpha 21364 и Power4 объединяет общность архитектурных решений: суперскалярная микроархитектура, внеочередное исполнение команд, большая кэш-память на кристалле, специализированный порт для основной памяти, а также высокоскоростные линки для объединения микропроцессоров в системы с архитектурой NUMA с распределенной разделяемой памятью (distributed shared memory -- DSM).

Каждый процессор Power4 (рис. 3.4) подобен Power3 и имеет два конвейерных блока для работы с 64-разрядными операндами с плавающей точкой на частоте 1 ГГц, выбирающих на исполнение по 5 команд каждый и 2 блока для работы с памятью. В процессорах реализуется внеочередное исполнение команд. Микропроцессор реализован на кристалле, содержащем 170 млн. транзисторов. Для достижения тактовой частоты 1,1 ГГц стадии конвейеров имеют задержку 8-10 вентилей.

Процессоры содержат раздельные кэш-памяти команд и данных первого уровня емкостью по 64 Кбайт каждая. Кроме того, имеется разделяемая (общая) кэш-память на кристалле второго уровня и внешняя кэш-память третьего уровня. Для образования мультипроцессорных конфигураций имеются 3 линка с суммарной пропускной способностью 45 Гбайт/с.

Рисунок 3.4 - Архитектура Power4

Наряду с параллелизмом уровня команд (ILP), процессор использует параллелизм уровня тредов (TLP). Динамическое выявление параллелизма позволяет предотвращать простои процессора при трудно выявляемых статически исключительных ситуациях, например, промахе в кэш-памяти. Power4 изготавливается по 0,18-микронной технологии SOI («кремний на изоляторе») с медными проводниками и 5 слоями металла на кристалле площадью 400 мм2.

Отличительная особенность Power4 - наличие кэш-памяти второго уровня, разделяемой двумя процессорами кристалла, а также внешними процессорами других кристаллов через линки шириной 16 байт, работающие на тактовой частоте более 500 МГц, что обеспечивает пропускную способность свыше 8 Гбайт/с. Суммарная пропускная способность 4 линков составляет более 35 Гбайт/с. При объединении 4 кристаллов и их размещении, как показано на рис. 3.5, проводники линков могут быть достаточно короткими и, что важно, прямыми.

Рисунок 3.5 - Пример объединения Power4 в фрагмент многопроцессорной системы

Физически кэш-память второго уровня емкостью около 1,5 Мбайт состоит из трех одинаковых блоков, доступ к которым выполняется через коммутатор с пропускной способностью на уровне 100 Гбайт/с. Протокол когерентности обеспечивает размещение данных, поступивших по линкам, в том блоке кэш-памяти, который использовался для размещения данных последним.

Порт кристалла Power4, предназначенный для подключения кэш-памяти третьего уровня емкостью до 32 Мбайт имеет ширину 16 байт для каждого из двух направлений пересылки данных. Порт функционирует на 1/3 от тактовой частоты процессоров кристалла, что обеспечивает пропускную способность к памяти на уровне 10 Гбайт/с. Теги кэш-памяти третьего уровня расположены внутри кристалла, что ускоряет реализацию протокола когерентности. Для работы с основной памятью может быть использована восьмипоточная программная предвыборка данных непосредственно в кэш-память первого уровня на кристалле. Пересылать можно одновременно до 20 строк кэша.

Каждый из двух процессоров Power4 имеет систему команд IBM ISA, реализованную в RS/6000 и AS/400 и полностью совместимую с системой команд Power PC. Сохранение системы команд, вызванное поддержкой двоичного кода пользователей, потребовало применения как однотактных команд, так и микропрограмм и даже прерываний для программной реализации наиболее сложных команд ISA.

Современные микропроцессоры, например, Alpha 21264 и Pentium III, относятся к однотредовым, использующим параллелизм уровня команд, выявляемый либо статически (компилятором), либо динамически (аппаратурой микропроцессора), либо комбинацией этих двух методов. Параллелизм уровня тредов при использовании этих микропроцессоров может быть выявлен только статически. Динамическое выявление параллелизма уровня тредов в рамках архитектур однотредовых процессоров практически невозможно, так как требует просмотра большого количества команд на предмет их одновременного исполнения - расширения окна исполнения. Это влечет за собой усложнение логических схем управления внеочередным исполнением команд, что может привести к снижению тактовой частоты микропроцессора. Для разрешения данного противоречия предлагаются мультитредовые и мультискалярные микропроцессоры.

При всем различии подходов к созданию мультитредовых микропроцессоров, общим для них является введение множества устройств выборки команд, каждое из которых организует окно исполнения для одного треда. В рамках одного треда выполняется предсказание переходов, переименование регистров, динамическая подготовка команд к исполнению. Тем самым, общее число команд, находящихся в обработке, значительно превышает размер окна исполнения однотредового процессора, с одной стороны, и тактовая частота не лимитируется размером окна исполнения, с другой стороны.

Выявление тредов может выполняться компилятором при анализе исходного кода на языке высокого уровня или исполняемого кода программы. Однако компиляторы не всегда могут разрешить проблемы зависимостей при использовании регистров и ячеек памяти между тредами, что требуется уже в ходе исполнения тредов. Для этого в микропроцессор вводится специальная аппаратура условного исполнения тредов, предусматривающая возврат с отбрасыванием наработанных результатов при обнаружении нарушения зависимостей между тредами. Нарушением зависимости, например, может служить запись по вычисляемому адресу в одном треде в ту же ячейку памяти, из которой выполняется чтение, которое должно следовать за этой записью, в другом треде. В случае, если адреса записи и чтения не совпадают, нарушение отсутствует. При совпадении адресов фиксируется нарушение, которое должно вернуть исполнение треда к команде чтения правильного значения.

Интерфейс между аппаратурой мультитредового процессора, поддерживающей протекание каждого отдельного треда и аппаратурой, общей для исполнения всех тредов, может быть установлен как сразу после устройств выборки команд тредов, так и на уровне доступа к разделяемой памяти. В первом случае все треды используют один регистровый файл и один набор функциональных устройств. Тесная связь по ресурсам позволяет эффективно исполнять последовательные программы с сильной зависимостью между тредами. В этом случае имеет место именно реализация мультискалярного мультитредового процессора.

Во втором случае для исполнения каждого треда, фактически, выделяется функционально законченный процессор. В целом эта структура ориентирована на исполнение независимых и слабо связанных тредов, порождаемых либо одной программой, либо их совокупностью. В этом случае скорее надо говорить не о процессоре, а о системе на одном кристалле. Возможно также промежуточное расположение интерфейса, соответствующее аппаратным средствам, ориентированным на реализацию определенного типа совокупности тредов.

По оценкам, при обработке транзакций мультитредовый микропроцессор Alpha 21464 будет в десять раз производительнее, чем Alpha 21264.

3.5.2 Развитие систем на одном кристалле

Среди тенденций, ведущих к появлению многопроцессорных систем на одном кристалле, можно отметить следующие:

1) Перенос на стадию компиляции решения проблем извлечения из последовательных программ команд, допускающих параллельное исполнение, и, в целом, ветвей параллельных программ. Если суперскалярный микропроцессор сам выделяет параллельно выполняемые команды, то уже в мультискалярном микропроцессоре на компилятор возлагаются дополнительные функции по выделению параллельных ветвей, а микропроцессоры с длинным командным словом возлагают на компилятор все проблемы загрузки параллельно функционирующих устройств. В этих условиях задача создания распараллеливающего компилятора для многопроцессорной системы не выглядит неразрешимой;

2) Объем оборудования, обеспечивающего загрузку функциональных устройств, микропроцессоров с суперскалярной и мультискалярной архитектурами достаточно велик и имеет квадратичный рост в зависимости от числа находящихся в обработке команд. При увеличении числа функциональных устройств должно увеличиваться и число выбираемых на исполнение команд, что приведет к возрастанию объема оборудования, не производящего непосредственно обработки данных. Суммарный объем схем управления в многопроцессорной системе, состоящей из простых процессоров, может быть существенно меньше, чем в микропроцессоре с суперскалярной или мультискалярной архитектурой при одном и том же суммарном числе функциональных устройств или, иными словами, при одинаковой производительности в случае полной загрузки устройств. Следует также отметить, что простые процессоры мультипроцессорной системы могут иметь более высокую тактовую частоту;

3) Многопроцессорная система, в силу присущей ей избыточности, способна функционировать при отказе части оборудования. Такие отказы могут быть как изначально присутствующими, вследствие дефектов кремниевой пластины или технологического процесса изготовления, так и появившимися в ходе функционирования. Многопроцессорные системы могут создаваться либо как однокристальные, либо как многокристальные микросборки. Реальность такова, что однокорпусная микросборка многопроцессорной системы из совокупности простых микропроцессоров может значительно превышать по показателю «производительность/стоимость» однокристальную систему, размер кристалла которой равен сумме площадей кристаллов микросборки. Микросборки не отличаются от СБИС. Выбор однокристальной реализации или микросборки определяется достигаемыми технико-экономическими показателями, например, использование микросборок памяти. Возможности подобной технологии демонстрирует микропроцессор Pentium Pro. Однако среди наиболее интересных проектов, концентрирующих архитектурные и технологические достижения, включая однокристальные системы и микросборки, можно назвать микропроцессор Power4;

4) В традиционных компьютерах, состоящих из микропроцессора и микросхем памяти, использующих в совокупности порядка 108 транзисторов в микропроцессоре и 109 транзисторов в памяти, в каждом такте задействовано по разным оценкам 104 - 105 транзисторов. Иначе говоря, имеет место простой значительной части оборудования, потенциально способного производить полезную работу. Конечно, при использовании КМОП-технологии простои имеют и определенный плюс: оборудование выделяет мало тепловой энергии. При существующих на сегодня конструкциях корпусов микросхем проблема теплоотвода может стать решающей при выборе архитектуры кристалла. Однако на кристалле может быть достаточно эффективно реализована многопроцессорная система из большого числа процессоров, каждый из которых имеет собственную небольшую встроенную память. Подобные вычислительные структуры обычно называют ассоциативными процессорами, памятью с обработкой, многофункциональной памятью или интеллектуальной памятью. К этому классу относятся однокристальные системы как с SIMD-архитектурой, например, Fuzion 150, так и с MIMD-архитектурой, например, Blue Gene.

Мультитредовые микропроцессоры и системы на одном кристалле вбирают в себя накопленные в ходе эволюции приемы повышения производительности микропроцессоров и используют симбиоз компиляторов и аппаратуры, соответственно для статического и динамического выявления параллелизма из исходных последовательных программ. Ориентация на исполнение совокупности тредов с определенной степенью межтредовых зависимостей обусловливает конкретные решения по совместному использованию тредами регистрового файла, аппаратуры внеочередного исполнения команд и функциональных устройств. Предстоят еще значительные исследования по оптимизации мультитредовых архитектур. Однако последовательность шагов в этом направлении эволюции микропроцессоров уже известна - это Alpha 21364 и Alpha 21464.

ВЫВОДЫ

В данной научной работе был произведён анализ существующих подходов к классификации архитектур вычислительных систем, рассмотрены такие эффективные методы повышения производительности вычислительных систем, как параллельные вычисления и мультитрединг.

Работа рассчитана на продолжение исследований в этом направлении, целью которых является создание программного обеспечения формирования фазы определения для заданной системы команд.

Сама разработка вышеупомянутого программного обеспечения будет осуществляться в последующем при написании дипломного проекта, где и будут использованы результаты научно-исследовательской работы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Таненбаум Э. Архитектура компьютера, 4-е изд. - Спб.: Питер, 2003. - 700 с.;

2. М. Кузьминский, «Открытые системы», 1999, № 5-6, стр. 8;

3. М. Кузьминский, «Отрытые системы», 1999, № 9-10, стр. 8;

4. Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы. М.: Наука. 1980. 520 с.;

5. Методические указания по оформлению студенческих работ для студентов специальностей 7.080403 "Программное обеспечение автоматизированных систем" и 7.080404 "Интеллектуальные системы принятия решений" / Утв. Л.А. Белозерский и др. - Донецк: ДонГИИИ, 2001. - 52 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10