Платформа 64-й километр. Популярный обзор современных процессоров 64-битной архитектуры
Итак, молот 64 -битной действительности завис над нашими бедными головами еще на Computex’2002. Огромная резиновая кувалда от AMD, гордо реявшая над скромными кибитками прочих производителей, предвещала революцию в бархатных перчатках. Магическое слово Hammer крепко внедрилось в подкорку мозга, коварно подпитывая разум фантастическими домыслами и догадками. Но наступил краснознаменный 2003 год, и многие иллюзии неожиданно стали реальностью. На рынке появился полный боекомплект 64-битных процессоров от именитых производителей. В славном авангарде технологической революции числится ныне три лидера индустрии: Intel с ее дорогим серверным Itanium 2 (правда, здесь есть некоторые подвижки, но о них — чуть ниже ) , AMD со своими Opteron и Athlon 64 имегагигант IBM с яблочным Power G5. Все эти процессоры уже взяли низкий старт и вполне конкретно претендуют на некую долю в наших с вами геймерских кошельках. Потому в этой статье мы постараемся рассмотреть преимущества и недостатки каждого процессора, а также ответить на один простой вопрос… Стоит ли игра геймеров? Вопрос насущности и необходимости истинной 64-битности для домашних и офисных компьютеров является скорее риторическим. Переход на 64-битные вычисления не только не дает немедленного двукратного увеличения производительности, о чем мечтал каждый пользователь ПК, но и не сулит никаких мавродиевских дивидендов в ближайшем будущем. Разрядность ядра процессора влияет прежде всего на скорость выполнения операций с плавающей запятой. Если для приложения достаточно точности в 32 бита, то новое ядро не даст ни малейшего прироста в производительности. Повышенная точность сейчас нужна разве что для серьезных серверных приложений и для проведения сложных математических вычислений (а-ля прогноз погоды, системы проектирования CAD, криптографические алгоритмы или расчет космического двигателя). Для игровых
и офисных приложений пока вполне хватает и 32 бит. Но перспективы перехода на новую платформу открываются настолько обширные, что компания Epic уже пообещала выпустить патч Unreal 64 к выходу Athlon 64. Ведь повышенная точность вычислений теоретически (!) дает возможность значительно улучшить обсчет физики в игре и повысить качество за счет использования дополнительных ресурсов процессора. На данный момент ограничения разрядности в 32 бита обходятся путем использования под хранение информации дополнительного 32-битного регистра, что значительно замедляет некоторые специфические расчеты. Тем не менее до выхода полноценных пакетов, которым мощности 32-битного ядра будет категорически не хватать, ждать еще очень долго. Поэтому немного более близким и реальным кажется второе преимущество новой архитектуры.  64-;битное ядро дает возможность теоретически адресовать до 18 миллионов терабайт (264 байт) памяти, что в миллионы раз превосходит нынешнее ограничение объема ОЗУ ( 4 гигабайта) . Реальный адресуемый объем с использованием 64-битной архитектуры составляет пока “всего” 4 терабайта . Этих возможностей хватит (при нынешних темпах развития индустрии) еще минимум лет на пятнадцать . Учитывая все возрастающие аппетиты программных продуктов, вполне может быть, что уже через год-полтора ОЗУ объемом 2 Гбайтастанет обыденностью, и ограничения 32-битного ядра проявят себя во всей красе. Таким образом, индустрия с переходом на 64-битную архитектуру обезопасила себя от грядущего “кольчужко-маловатого” кризиса. Ситуация до боли напоминает историю с AGP 8x и Serial ATA. Пока ни одно устройство не может получить выигрыш от использования этих новых интерфейсов обмена данными, так как технология просто еще не дошла до критического порога. Но уже к нему близка. Именно поэтому продвигать новые программные интерфейсы и средства разработки нужно начинать уже сейчас — дабы рынок успел переориентироваться. Посмотрим повнимательнее на первопроходцев 64-битного рынка, стремящихся утянуть нас за собой в бурный водоворот прогресса. Истинный ариец
Еще до выпуска новых процессоров игроки рынка разделились на два противоборствующих лагеря — сторонников совмещения 32-битной архитектуры с элементами 64-битной логики и пламенных революционеров, пропагандирующих переход с традиционной системы команд на новый набор системных функций и честную 64-битность. Лагерь революции возглавил процессорный гигант Intel , выпустивший на рынок флагмана новой волны — процессор Itanium , а позднее — усовершенствованный Itanium 2. В новой линейке ЦПУ от Intel , ориентированных на использование преимущественно в серверных приложениях и сверхмощных рабочих станциях, применяется система команд EPIC ( Explicitly Parallel Instruction Computing ). Она кардинально отличается как от традиционной CISC -системы, применяемой во всем семействе х86 -процессоров, так и от используемой в большинстве серверных процессоров системы команд RISC. На основе EPIC была разработана новая процессорная архитектура, получившая название IA-64. В “старых” 32-битных процессорах с системой команд CISC функции по предсказанию ветвлений возложены на ядро процессора и приводят к множеству холостых циклов работы в случае ошибки в прогнозе. Новая же архитектура является суперскалярной — процессоры могут выполнять параллельно несколько инструкций. В IA-64 отбором, какие именно инструкции выполнять в конкретный момент времени, занимается не процессор, а компилятор. Именно он заранее определяет, какие участки кода должны обрабатываться одновременно, а какие — нет. Все команды программы компилятором упаковываются в 128-битные пакеты. В каждом пакете команд указывается, какие операторы следующего пакета могут выполняться параллельно. Есть у этой медали и обратная сторона. Усложнившаяся система команд и увеличенная длина команды в EPIC (порядка сорока бит) значительно замедляют компиляцию проекта под архитектуру IA-64. К тому же производительность и стабильность процессора с архитектурой IA-64 и, в конечном итоге, коммерческий успех всего проекта Intel напрямую зависят от качества компиляторов под новую платформу. К услугам компилятора — сто двадцать восемь 64-битных регистров общего назначения, сто двадцать восемь 82-битных (!) регистров для операций с числами с плавающей запятой и восемь 64-битных регистров ветвления. В EPIC включены мультимедийные команды, совместимые с MMX, позволяющие процессору одновременно обрабатывать восемь 8 -битных операндов, четыре 16 -битных операнда и два 32 -битных. Совместимость с системой команд семейства х86 обеспечивается за счет аппаратного преобразования команд IA-32 в команды архитектуры IA-64 , что не может не сказаться на скорости выполнения вычислений. В итоге не перекомпилированный в новую систему команд программный код выполняется слишком медленно, чтобы можно было говорить о полноценной поддержке старых приложений. Первый Itanium был пробным шаром Intel и, по сути, не являлся коммерческим продуктом.
ПроцессорItanium 2 , в два раза опережающий по своей производительности предшественника , является квинтэссенцией всех идей архитектуры IA-64 на данный момент. Ядро процессора содержит 221 миллион транзисторов, что более чем вдвое превышает аналогичный показатель AMD Opteron (но о нем — чуть ниже). За такт Itanium 2 способен выполнять до шести команд. Рабочая частота процессора составляет от 900 МГц до 1 ГГц . Он работает только с достаточно медленной памятью SDRAM PC100. Этот недостаток должен компенсироваться немалым объемом кэша L2 (от 1,5 до 3 Мбайт), работающего на полной частоте ядра. Вследствие своей высокой цены (от тысячи долларов за младшую модель семейства) Itanium 2 занял нишу высокопроизводительного решения для мощных серверов и графических станций, требующих обработки больших объемов информации. Для серверов начального уровня предназначен Intel Xeon, а в секторе персональных компьютеров еще долго будет царить сплошной Pentium 4. До пришествия 64-битной технологииIA - 64 на рынок настольных ПК пройдет еще не один год. Intel, вероятно, будет выжидать, пока рынок созреет, и совершенствовать свою платформу, постепенно снижая цену на процессоры нового семейства. Совсем недавно появилась информация о выходе Itanium 2 с частотой 1 ГГц и1,5 Мбайт кэшапо достаточно божеской цене в семьсот семьдесят с небольшим у.е. Над этой новостью возвышается грозная тень злейшего друга Intel — компании AMD с двумя надувными кувалдами наперевес. Реальные парни AMD решила пойти другим путем. Собственные ресурсы компании во много раз меньше капиталов Intel, и позволить себе эксперимент с внедрением новой системы команд, лишь условно совместимой со всем мировым парком компьютеров и ПО, фирма не в состоянии. Было принято решение о разработке новой системы команд с исполнением 32-битного кода х86 на уровне процессорного ядра, но с добавлением поддержки 64-битных команд и регистров. Новая архитектура получила название x86-64. В ядро процессора было добавлено шестнадцать 64-битных регистров общего назначения и восемь 64 - битных регистров для операций с плавающей запятой. Подобные цифры по сравнению со ста двадцатью восемью регистрами у Itanium совершенно не впечатляют, зато и ценовое позиционирование процессоров с новой архитектурой совершенно иное — стоят они в несколько раз дешевле. Принцип работы архитектуры х86-64 прост, как и все гениальное. По умолчанию все регистры находятся в 32-битном состоянии.
Для перевода их в 64-битный режим требуется использование дополнительного префикса для команд. В итоге проблема совместимости с существующими приложениями отпадает сама собой — в их кодах просто нет этого самого префикса, и для них процессор полностью идентичен 32-битному. Некоторым минусом является то, что итоговый объем скомпилированного кода за счет использования префикса незначительно возрастает. По оценкам самой AMD — максимум на 10% по сравнению с традиционными приложениями. Остается надеяться, что соответствующий компилятор для новой платформы окажется продуктом качественным и доступным. Ибо ручная переделка кода — процесс достаточно трудоемкий и требующий немало времени. А для нового продукта подобные задержки смерти подобны. Кроме всего прочего, процессор может работать в режиме Long mode, предназначенном для 64-битных операционных систем . Он состоит издвух подрежимов: режима совместимости, в котором возможна безболезненная работа всех 32-битных приложений, и расширенного 64-битного режима. Операционная система производит переключение процессора из одного режима в другой незаметно для работающих программ. Старые приложения считают, что код выполняется в защищенном режиме 32-битного процессора. Вступают в силу ограничения на максимальный объем адресуемой памяти до 4 Гбайт . Поддерживаются только приложения защищенного режима, приложения реального режима функционировать на новой архитектуре не будут. Рассмотрим 64-битный режим работы поподробнее. В нем для скомпилированных под новую платформу приложений становятся доступными восемь регистров общего назначения и восемь дополнительных регистров SSE2. Все остальные регистры переводятся в 64-битный режим. Помимо Long Mode , архитектура процессоров от AMD поддерживает работу в режиме наследования ( legacy mode ), в котором они совместимы с 16-битными и 32-битными операционными системами. В этом случае никакой разницы для программ между 64-битным процессором и старыми добрыми 32-битными процессорами нет. Разумеется, кроме разницы в скорости работы. Существенно улучшена система предсказания переходов — AMD заверяет, что за счет расширения блока предсказания в четыре раза по сравнению с Athlon XP точность предсказания увеличилась минимум на 10%. И, что самое главное, правильность предсказания не зависит от внешнего компилятора, как у семейства Intel Itanium. Был подвергнут существенной переработке и блок декодера инструкций. Отныне все поступающие команды разбиваются на несколько “микроопераций”. Затем, как и в Itanium , они упаковываются в пакеты по три микрооперации, которые исполняются ядром параллельно.
За такт процессор способен обработать до трех пакетов, то есть до девяти микроопераций. Предметом особой гордости инженеров является интегрированный в процессор контроллер памяти, способный уменьшить задержки при работе с оперативкой и увеличить скорость обмена с ней. Этот контроллер позволит чипам от AMD демонстрировать отличную производительность и в 32-битных, и в 64-битных приложениях. Официально поддерживается двухканальная память DDR266 и DDR333. Неофициально — DDR400, но это еще предстоит проверить. Первым плацдармом для наступления AMD выбрала серверный рынок, как наиболее требовательный к скорости обработки информации. Было выпущено три линейки процессоров Opteron: 1хх , 2хх и 8хх — для однопроцессорных, двухпроцессорных и восьмипроцессорных систем соответственно. Разъем новых процессоров — Socket 940. В качестве ОЗУ используется память DDR333 с коррекцией ошибок ( ECC ). Поддерживается протокол HyperTransport для обмена между процессорами в многопроцессорной конфигурации и прочими устройствами. Объем кэша L2 — 1024 кбайт . Тактовая частота представителей семейства простирается от скромных 1,4 ГГц до внушающих уважение 2,0 ГГц в старших моделях. О том, кто победит в схватке за серверные стойки, Intel или AMD, —знает только небесный системный администратор. Но в общем и целом следует признать, что шансы Opteron достаточно велики. Особенно в секторе серверов начального и среднего уровня. Нас же, как скромных, но весьма любопытных геймеров, куда больше интересует готовящийся к выходу Athlon 64 — первый 64 - битный процессордля настольных ПК . Он представляет собой значительно удешевленный вариант Opteron с урезанным кэшем, предназначенный для установки в разъем Socket 754. Этот “камень”, призванный перехватить знамя лидера из слабеющих рук Athlon XP , несет на борту все тот же мегаконтроллер памяти, от 256 до 512 кбайт кэша и поддерживает память DDR400 без коррекции ошибок. Реальная тактовая частота первого процессора линейки равняется 2 ГГц. Пиар-рейтинг в условных AMD-шных попугаях составляет цифру 3200+. Причем имеется в виду рейтинг в сравнении с новыми моделями P4 от Intel с кэшем в 512 кбайт. В активе процессоров AMD — грядущая поддержка со стороны практически всех операционных систем: Windows XP: 64-bit Edition , Linux, SuSE Linux, Red Hat, UnitedLinux, MandrakeSoft, Wasabi Systems (NetBSD).
В Сети уже появилась информация о том, что новый Athlon 64 3200+ в комплекте с материнской платой от Microstar MSI K8 T NEO-FIS2R будет стоить всего 650 долларов, то есть цена самого процессора составит порядка 500 долларов. Примерно столько и стоит сейчас Pentium 4 3200 . Если информация окажется правдивой, то покупательского бума не избежать — процессор сметут с прилавков в первые же дни продажи. Кстати, появление нового Athlon 64 ожидается уже к концу сентября. А между тем адепты “неПиСи”-измерения тоже не дремлют и потихоньку готовятся нанести ответный удар. Посол иных миров Финансовые результаты последних нескольких лет деятельности компании Apple являют собой яркий пример того, как мечты погибают под гнетом суровой реальности. Каждая новая модель компьютера Apple — это откровение дизайна, надежности и удобства. Столько интересных и ультрасовременных идей таятся под крышкой с надкусанным яблоком, что порой аж дух захватывает. И вместе с тем все это великолепие в России пользуется спросом только у избранных, таких же неординарных, как и техника Apple, людей. Вот и в очередной раз остается только удивляться самоотверженности фирмы и ее постоянному желанию заткнуть конкурентов за пояс. На этот раз Apple представила новый компьютер PowerMac G5 , основанный на 64-битном процессоре от IBM — PowerPC G5. Этот чип по своей идеологии как две капли воды похож на детище AMD — его архитектура также позволяет использовать как 32-битные, так и 64-битные приложения без потерь в производительности. Максимальное адресуемое пространство памяти составляет 4 терабайта. В новом процессоре применяется двухсторонняя 64-битная шина (FSB), работающая на частоте в 1 ГГц . Это дает максимальную скорость передачи данных в 8 Гбайт/c, тогда как в процессорах линейки Pentium 4 она достигает всего 6,4 Гбайт/с. Для двухпроцессорных систем скорость обмена по FSB достигает 16 Гбайт/c. Частота работы самого ядра подскочила на целых 600 МГц по сравнению с PowerMac G4 и ныне достигает 2 ГГц. Процессор оснащен 32 кбайт кэша L1 и 512 кбайт кэш-памяти L2. Команды разбиваются на группы по пять инструкций, которые обрабатываются с использованием двенадцати модулей системы предсказания переходов. Процессор способен запомнить до ста инструкций в двадцати группах.
Встроенный в чип блок Velocity Engine позволяет легко и просто оперировать 128-битными данными. С его помощью можно обрабатывать за такт до четырех 32-битных переменных. Подобная фишка может принести отличные дивиденды производительности, когда одна и та же операция применяется к множеству переменных. К примеру, так работает большинство фильтров в Adobe Photoshop. Также в процессор встроены два 64-битных блока для операций с целыми числами, два 64-битных блока для операций с плавающей запятой и два блока управления регистрами процессора. И управлять тут действительно есть чем. G5 содержит аж три типа регистров: 64-битные регистры общего назначения, 64-битные вещественные регистры и 128-битные регистры Velocity Engine. В продаже уже имеются одно- и двухпроцессорные рабочие станции Apple, оснащенные PowerPC G5 с частотой от 1,6 до 2 ГГц . Поддержка со стороны производителей ПО тоже не заставила себя ждать . Верный друг яблочного гиганта, фирма Adobe уже выпустила патч для Photoshop 7.0 с поддержкой 64-битных вычислений на новой платформе. Явно не за горами и выход новой операционной системы от Apple с полноценной 64-битной поддержкой G5. В общем и целом, процессор оригинальный и очень многообещающий. Может быть, хоть в этот раз Apple повезет? Сухой остаток Итого, мы имеем на сегодняшний день практически патовую ситуацию — истинная 64-битность на рынок настольных ПК придет еще не скоро, да она там пока и не особо нужна. Intel, к примеру, считает, что минимум до 2005 года потребность массового рынка в 64-битных решениях будет минимальной. И раньше этого срока корпорация спускаться с серверных небес на грешную потребительскую землю не собирается. В итоге флагманами потребительского рынка в деле перехода на новую платформу выступают AMD и IBM/Apple (для тех, кто любит погорячее). Их процессоры за счет увеличенного кэша, расширенного режима предсказывания и интегрированного контроллера памяти обеспечивают весьма и весьма достойную производительность в существующих приложениях и создают хороший задел на будущее. Целиком возможности новых процессоров раскроются с появлением 64-битных операционных систем в Windows XP и MacOS X, а также вместе с массовым выходом соответствующих 64-битных приложений. Что касается IBM PC-совместимых ПК, то, учитывая предполагаемую цену Athlon 64, остается только сказать “оревуар” топ-моделям Athlon XP с ядром Barton — эта платформа, видимо, окажется заживо погребенной под осколками 32-битности. И каждое новое 64-битное приложение будет означать еще один гвоздь в гроб архитектуры х86-32. Как говорится, король умер — да здравствует король. На рынок hi-end выходит новый игрок с огромным багажом современных технологий.