Interested Article - DEC Alpha
- 2020-01-18
- 1
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.
Литература
- Корнеев В. В., Киселев А. В. Современные микропроцессоры. 3-е изд.— СПб.: БХВ-Петербург, 2003. — 448 с.: ил. ISBN 5-94157-385-5
Ссылки
Новостные сайты AlphaServer
- (англ.) Tru64 UNIX on Alpha
- от 21 марта 2015 на Wayback Machine (англ.) OpenVMS on Alpha
Основная техническая документация
- (англ.)
История
- (англ.)
- (рус.) , создатель статей Павел Болотов
Порты BSD операционных систем для процессоров семейства DEC/Compaq Alpha
- (англ.)
- (англ.)
- (англ.)
Дистрибутивы GNU/Linux
- (англ.)
- (рус.)
- (рус.)
- (рус.)
- 2020-01-18
- 1