Interested Article - DEC Alpha

DEC Alpha (также известный как Alpha AXP ) — 64-разрядный микропроцессор класса RISC , первоначально разработанный и произведённый компанией DEC , которая использовала его в собственной линейке рабочих станций и серверов . Микропроцессор был создан для компьютеров , которые планировались на смену серии VAX и изначально поддерживался операционными системами VMS и DEC OSF/1 AXP (в 1995 году переименована в Digital UNIX , после покупки DEC компанией Compaq переименована в Tru64 UNIX ). Позднее на него были перенесены свободные операционные системы Linux и . Компания Microsoft производила Windows NT с поддержкой Alpha до версии Windows NT 4.0 SP6, однако поддержка была свёрнута после выпуска Windows 2000 Release Candidate 2.

История

Прямым предком архитектуры Alpha является проект раннего RISC-процессора , который сам по себе является результатом нескольких более ранних проектов. Фирма DEC продвигала на рынок серию рабочих станций DECstation, использовавших процессоры с архитектурой MIPS , и процессор PRISM имел много общего с MIPS, при этом был и ряд существенных отличий: PRISM поддерживал программируемый пользователем микрокод (также известный как Epicode ). PRISM проектировался с намерением реализовать для него новую операционную систему, известную как Emerald , которая бы позволяла запускать как «родные» программы PRISM, использовавшие все возможности процессора, так и, после незначительной модификации, существующие программы операционной системы VMS для архитектуры VAX . Руководство DEC сомневалось в необходимости разрабатывать новую компьютерную архитектуру для замены существующих семейств VAX и DECstation, и в 1988 году проект PRISM был закрыт.

Но ко времени закрытия проекта второе поколение RISC-процессоров (например, с архитектурой SPARC ) достигло гораздо лучшего соотношения цена/производительность, чем серия VAX. Было очевидно, что третье поколение полностью обгонит VAX по всем характеристикам, а не только по цене. Было начато исследование, целью которого являлось определить, может ли быть создана RISC-архитектура, которая бы могла использоваться для запуска операционной системы VMS . Новая разработка использовала большую часть базовых концепций PRISM, но была доработана для того, чтобы запускать без модификаций OS VMS и программы для неё с приемлемой скоростью. Было принято решение разработать полностью 64-разрядную архитектуру (архитектура PRISM была 32-разрядной). Со временем новая архитектура превратилась в то, что сейчас называется Alpha. Архитекторами системы команд процессоров Alpha были Dick Sites и Rich Witek.

Наибольший вклад процессоров Alpha в микропроцессорную индустрию (да и главная причина их высокой производительности) заключается не столько в самой архитектуре, сколько в превосходной её реализации. В то время (как, впрочем, и сейчас) в микроэлектронной промышленности доминировало автоматизированное проектирование, а для разводки цепей использовалось специальное программное обеспечение, реализовывавшее хитроумные алгоритмы. Разработчики микросхем в DEC были сторонниками трудоёмкого ручного проектирования, в частности, именно так создавались компьютеры с очень непростой архитектурой VAX. Процессоры Alpha показали на своём примере, что ручное проектирование, использованное при работе над простой и прозрачной архитектурой, позволяет достичь гораздо более высоких рабочих частот, нежели использование автоматизированных систем проектирования. Это привело к возрождению ручной разработки цепей среди разработчиков микропроцессоров.

Официально процессоры Alpha обозначались как серия DECchip 21x64 , где «21» обозначало 21-й век, а «64» указывало на то, что процессор являлся 64-разрядным, средняя цифра указывала поколение архитектуры Alpha. Внутри компании процессоры Alpha обозначались EV -номерами, где EV официально расшифровывалось как «Extended VAX» (расширенный VAX), но была и другая, юмористическая расшифровка — «Electric » («электрический огурец») по мотивам шуточной псевдонаучной публикации об электролюминесценции овощей .

Первые несколько поколений процессоров Alpha были наиболее новаторскими для своего времени.

Первая версия, 21064 или EV4 , был первым КМОП -микропроцессором, рабочая частота которого сделала его конкурентом миникомпьютерам и мейнфреймам, использовавшим гораздо более энергоёмкую элементную базу ЭСЛ .

Второе поколение, 21164 или EV5 , был первым микропроцессором, имевшим накристальный L2-кэш большого объёма.

Процессор 21264 ( EV6 ) был первым микропроцессором, совместившим в себе как высокую рабочую частоту, так и сложную out-of-order execution микроархитектуру .

По информации от источников внутри DEC, выбор торговой марки AXP для процессоров был сделан юридическим отделом DEC, который опасался проблем, аналогичных проблемам с торговой маркой VAX . После длительного поиска было выбрано название AXP , так как оно было никем не занято. В компьютерной индустрии известна шутка, что AXP расшифровывается как «Almost Exactly PRISM» — почти точный PRISM.

Выпуск процессоров архитектуры DEC Alpha был прекращён 27 октября 2007 года.

Поколения и версии

Во время объявления процессора было заявлено, что его архитектура будет использована в течение следующих 25 лет. Хотя этому не суждено было сбыться, тем не менее, процессоры Alpha имели достаточно долгую жизнь. Первая версия, Alpha 21064 (также известная как EV4 ), была представлена в 1992 году и работала на частоте до 192 МГц, через несколько месяцев, после перехода на чуть более совершенный технологический процесс (с 0,75 мкм до 0,675 мкм), была создана версия EV4S , способная работать на частоте 200 МГц. 64-разрядный процессор был конвейерным и суперскалярным , как и другие RISC-процессоры, но, тем не менее, превосходил их все, что позволило фирме DEC назвать его самым быстрым процессором в мире. Тщательная проработка цепей процессора (что являлось заслугой Hudson design team) и централизованные цепи подачи синхросигналов позволили процессору работать на высоких частотах, несмотря на то, что микроархитектура процессора была во многом аналогична другим RISC-процессорам. Для сравнения, более дешёвый Intel Pentium работал на частоте 66 МГц, хотя был выпущен весной следующего года.

Процессор Alpha 21164 ( EV5 ) стал доступен в 1995 году и работал на частотах до 333 МГц. В июле 1996 года частота была доведена до 500 МГц, а в марте 1998-го — до 666 МГц. Кроме того, в 1998 году был выпущен 21264 ( EV6 ), первоначальная тактовая частота которого составляла 450 МГц; со временем она возросла до 1,25 ГГц (это было сделано в моделях 2001 года 21264C / EV68CB ). В 2003 году был выпущен EV7 Marvel , работавший на частоте от 1 до 1,15 ГГц и представлявший собой ядро EV68, оснащённое четырьмя каналами межпроцессорного обмена; пропускная способность каждого канала составляла 1,6 ГБ/с, что позволяло значительно поднять производительность многопроцессорных систем. Около 500 000 систем на базе процессора Alpha было продано к концу 2000 года.

В 1999 году производство процессоров Alpha было лицензировано компании Samsung . Последовавшая покупка компании Digital компанией Compaq привела к тому, что большая часть производства продукции, использовавшей Alpha, была передана компании , ранее называвшейся Alpha Processor Inc., частной компании, основанной Samsung и Compaq. В октябре 2001 года компания становится эксклюзивным поставщиком использовавшей Alpha продукции API NetWorks.

25 июня 2001 года Compaq заявляет, что производство Alpha будет свёрнуто к 2004 году, а вместо Alpha планируется использовать процессоры Itanium компании Intel . Это приводит к сворачиванию работ над процессором EV8 и продаже всей интеллектуальной собственности, имеющей отношение к Alpha, компании Intel . Через несколько месяцев компания HP, новый владелец Compaq, объявляет, что развитие серии Alpha будет продолжено ещё в течение нескольких лет, включая выпуск 1,3-ГГц варианта EV7 , названного EV7z . Эта версия, а также версия, которая должна была стать последней в семействе Alpha — EV79 , с технологическим процессом 0,13 мкм, также была свёрнута. HP продолжала продавать серверы AlphaServer с операционными системами OpenVMS и Tru64 UNIX до 27 октября 2006 года, а также обеспечивала их поддержку до конца 2013 года .

В середине 2003 года, когда шло сворачивание производства Alpha, второе место в списке самых быстрых компьютеров занимал кластер ASCI Q на основе процессоров Alpha .

Модели

Модель	AKA	Год	Частота, МГц	Тех. процесс, мкм	Транзисторов, млн	Размер кристалла, мм²	Кол-во контактов	Потребляемая мощность, Вт	Напряжение питания, В	Пропуск. способность памяти, МБ/с	Кэш данных, КБ	Кэш команд, КБ	Scache	Bcache	Система команд
EV4	21064	1992	100—200	0,75	1,68	234	290	30	3,3	80	8	8	—
EV45	21064A	1994	200—300	0,5	2,85	164		33	3,3	80	16	16	—
LCA4	21066	1993	100—166	0,68	1,75	209		21	3,3	30	8	8	—
LCA45	21066A	1994	166—233	0,5	1,75	161		23	3,3	30	8	8	—
EV5	21164	1995	266—500	0,5	9,7	299	296	56	3,3/2,5	150	8	8	96 КБ	1	R
EV56	21164A	1996	400—767	0,35	9,3	209		46	3,3/2,0	300	8	8	96 КБ	1—2 МБ	R,B
PCA56	21164PC	1997	400—533	0,35	3,5	141	264	40	3,3/2,5		8	16	—	1 МБ	R,B,M
PCA57	21164PC		600—666	0,28	5,7	101	283	20	2,5/2,0		16	16	—	1 МБ	R,B,M
EV6	21264	1998	450—600	0,35	15,2	314	389	73	2,0	1600	64	64	—	2—8 МБ	R,B,M,F
EV67	21264A	1999	667—750	0,25	15,2	210	389		2,0		64	64	—	2—8 МБ	R,B,M,F,C
EV68AL	21264B	2001	800—833	0,18	15,2	125			1,7		64	64	—	2—8 МБ	R,B,M,F,C,T
EV68CB	21264C	2001	1000—1250	0,18	15,2	125		65—75	1,65		64	64	—	2—8 МБ	R,B,M,F,C,T
EV68CX	21264D								1,65		64	64	—	2—8 МБ	R,B,M,F,C,T
EV7/EV7z	21364	2003	800—1300	0,18	130	397		125	1,5		64	64	1,75 МБ	—	R,B,M,F,C,T
EV79	21364A(?)	(свёрнуто)	1700	0,13	152	300		120	1,2		64	64	1,75 МБ?	—	R,B,M,F,C,T

Расширения системы команд:

R: ?
B: BWX, «Byte/Word Extension», дополнительные инструкции для выполнения 8- и 16-битных операций при обращении к памяти и устройствам ввода-вывода
M: MVI, мультимедиа-инструкции
F: FIX, инструкции для преобразования целых чисел в числа с плавающей запятой и извлечения квадратного корня
C: CIX, инструкции для поиска и подсчёта битов
T: поддержка упреждающей выборки с модификацией, направленной на повышение производительности при первом обращении с целью захвата семафора.

Системы, использующие Alpha

Первое поколение систем на базе Alpha включало в себя серию рабочих станций и серверы начального уровня, серию серверов среднего уровня 4000 AXP и серии высокопроизводительных серверов: DEC 7000 AXP и DEC 10000 AXP.

Серия 3000 AXP использовала ту же шину , что и предыдущее поколение рабочих станций DEC, использовавших микропроцессоры с архитектурой MIPS . Серия 4000 AXP использовала шину , в то время как серии 7000 AXP и 10000 AXP использовали архитектуру компьютеров VAX серий 7000 и 10000, соответственно.

Кроме того, DEC выпускала рабочие станции на базе Alpha, сходные с персональными компьютерами и использовавшими шину EISA : DECpc 150 AXP (эта модель также известна как DEC 2000 AXP). Это были первые системы на базе Alpha, поддерживавшие Windows NT . Позднее DEC выпустила Alpha-версии своих Celebris XL и Personal Workstation PC серий, оснастив их процессорами 21164.

Процессоры 21066 и 21068 были использованы в компактных рабочих станциях DEC Multia VX40/41/42.

В 1994 году фирма DEC выпустила новый ряд систем AlphaStation и AlphaServer , которые использовали процессоры 21064 и 21164, шину PCI , совместимые с VGA фреймбуфера и PS/2-совместимые клавиатуру и мышь . Серия серверов AlphaServer 8000, заменившая DEC 7000/10000 AXP, использовала шины XMI и FutureBus+.

Рабочие станции AlphaStation XP1000 были первыми, использовавшими процессор 21264. В дальнейшем модели рабочих станций и серверов AlphaServer/Station, использовавших процессор 21264, были разбиты на следующие семейства:

DS (departmental server)
ES (enterprise server)
GS (global server)

Процессор 21364 использовался в моделях AlphaServer ES47, ES80 и GS1280.

Некоторое количество OEM-материнских плат для Alpha было произведено фирмами DEC, Samsung и , включая EB64+, EB164, API UP1000 и UP2000.

Компания Cray Research использовала процессоры 21064 и 21164 в своих массивно-параллельных суперкомпьютерах Cray T3D и , соответственно.

Процессоры 21164 и 21264 были использованы компанией Network Appliance в системах сетевого хранения данных ( Network Attached Storage ).

Влияние на отрасль

Процессор Alpha и заложенные в нём концепции прямо или косвенно оказали влияние на конструкцию других процессоров и на развитие отрасли в целом.

В оригинальном процессоре AMD Athlon использовалась шина, первоначально разработанная для Alpha. В процессоре AMD Opteron применяется высокоскоростная межпроцессорная магистраль HyperTransport и встроенный контроллер памяти — технологии, аналогичные тем, которые первыми предложили разработчики Alpha. Дирк Мейер, главный инженер процессоров AMD, раньше работал над Alpha.

Применяемая в современных серверных и настольных процессорах Intel технология HyperThreading , позволяющая процессору решать несколько задач одновременно, навеяна исследованиями в области многопоточности , проведёнными командой Alpha в DEC в 1990-е годы. Из HP в Intel перешли более 300 инженеров, работавших над Alpha, теперь большинство из них работает над процессором Itanium 2 .

Модель памяти, используемая в процессоре, являлась наиболее мягкой из всех существующих: без дополнительных барьеров нарушался порядок видимости выполнения команд другим потоком. На практике это оказалось крайне неудачным решением, так как реордеринг операций и эффекты, связанные с кэшированием, приводили к интуитивно непонятному поведению в многопроцессорных системах. И хотя написание корректных программ было возможно , это требовало значительных дополнительных усилий при написании компиляторов и многопоточных программ. По этой причине впоследствии от такого архитектурного решения отказались и больше нигде не использовали.

Примечания

(англ.) . The Computer History Simulation Project. — Характеристики и история EV-4 - первого официально выпущенного процессора Alpha. Дата обращения: 11 апреля 2009. Архивировано из 14 февраля 2012 года.
(англ.) (PDF) (апрель 1989). — Шуточная псевдонаучная публикация об электролюминесценции овощей. Дата обращения: 11 апреля 2009. Архивировано из 14 февраля 2012 года.
8 февраля 2007 года.
18 июля 2007 года.
. Дата обращения: 14 октября 2013. 16 октября 2013 года.
. Дата обращения: 31 марта 2016. 15 марта 2016 года.
. Дата обращения: 31 марта 2016. 22 марта 2016 года.