Обзор микроархитектур современных десктопных процессоров

Обновлено: 07.07.2024

Понятие архитектуры процессора не имеет единого толкования, поскольку под ним понимаются две различные сущности. С программной позиции она представляет собой совместимость процессора с конкретным набором команд, его способность выполнять определённый набор кодов. То есть это способность программы, которая была собрана для архитектуры семейства x86, функционировать на всех x86-совместимых системах. На ARM системе такая программа работать не будет.

С аппаратной позиции архитектура процессора, называемая иногда микроархитектурой, является набором свойств, характерным для всего семейства процессоров и отражающим базовые особенности его внутренней организации. К примеру, микроархитектура процессоров Intel Pentium имела обозначение Р5, а процессоры Pentium 4 относились к NetBurst. После закрытия Intel микроархитектуры Р5 для производителей AMD разработала архитектуру К7 и К8 для процессоров Athlon, Athlon XP и Athlon 64 соответственно.

CISC

CISC-архитектура (Complex Instruction Set Computer) относится к процессорам с полным набором команд. Она имеет нефиксированную длину команд, отличается кодированием арифметических действий в единой команде и малым количеством регистров, большинство из которых выполняет только выделенную функцию.

CISC реализована во множестве типов микропроцессоров, таких как Pentium, которые выполняют большое количество разноформатных команд (порядка 200-300), применяя более десяти различных способов адресации. Командная система может включать несколько сотен команд различного уровня сложности или формата (от 1 до 15 байт).

Всё это делает возможным реализовывать эффективные алгоритмы для различных задач. В качестве примеров CISC-архитектуры, используемой преимущественно для десктопных версий, можно привести следующие процессоры:

x86 (IA-32, сокращенное от "Intel Architecture, 32-bit") - ;
x86_64 (AMD64);
Motorola MC680x0;
мейнфреймы zSeries.

В CISC-процессорах каждую из команд возможно заменить на аналогичную ей либо на группу выполняющих такую же функцию команд. Это формирует как достоинства, так и недостатки архитектуры: она обладает высокой производительностью благодаря возможности замены команд, но большей стоимостью в сравнении с RISC, что связано с усложнённой архитектурой, в которой существует множество сложных для раскодирования команд.

RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) относится к процессорам с сокращённым набором команд. В ней быстродействие увеличивается посредством упрощения инструкций: за счёт того, что их декодирование становится проще, уменьшается время исполнения. Изначально RISC-процессоры не обладали инструкциями деления и умножения и не могли работать с числами, имеющими плавающую запятую. Их появление связано с тем, что в CISC достаточно много способов адресации и команд использовались крайне редко.

Система команд в RISC состоит из малого числа часто применяемых команд одного формата, которые можно выполнить за единичный такт центрального процессора. Более сложные и редко применяемые команды выполняются на программном уровне. При этом, благодаря значительному увеличению скорости реализации команд, средняя производительность RISC-процессоров выше, чем у CISC.

Благодаря сокращению аппаратных средств, используемых для декодирования и реализации сложных команд, достигается значительное упрощение и снижение стоимости интегральных схем. В то же время возрастает производительность и снижается энергопотребление, что особенно актуально для мобильного сегмента. Эти же достоинства служат причиной использования во многих современных CISC-процессорах, например в последних моделях К7 и Pentium, RISC-ядра. Сложные CISC-команды заранее преобразуются в набор простых RISC-операций, которые оперативно выполняются RISC-ядром.

Характерными примерами RISC-архитектур являются:

PowerPC;
DEC Alpha;
ARC;
AMD Am29000;
серия архитектур ARM;
Atmel AVR;
Intel i860 и i960;
BlackFin;
MIPS;
PA-RISC;
Motorola 88000;
SuperH;
RISC-V;
SPARC.

RISC быстрее CISC, и даже при условии выполнения системой RISC четырёх или пяти команд вместо единственной, выполняемой CISC, RISC выигрывает в скорости, поскольку его команды выполняются в разы оперативнее. Однако CISC продолжает использоваться. Это связано с совместимостью: x86_64 продолжает лидировать в десктоп-сегменте, а поскольку старые программы могут функционировать только на x86, то и новые десктоп-системы должны быть x86(_64), чтобы дать возможность старым программам работать на новых устройствах.

Для Open Source это не проблема, ведь пользователь может найти в сети версию программы, подходящую для другой архитектуры. Однако создать версию проприетарной программы для другой архитектуры получится только у владельца исходного кода.

MISC

MISC-архитектура (Minimal Instruction Set Computer) является процессором с минимальным набором команд. Она отличается ещё большей простотой и используется для ещё большего снижения энергопотребления и итоговой стоимости процессора. MISC-архитектура применяется в IoT-сегменте и компьютерах малой стоимости вроде роутеров. Первой вариацией такого процессора стал MuP21.

В основе MISC-процессоров лежит укладка ряда команд в единое большое слово, что позволяет параллельно обрабатывать несколько потоков данных. MISC применяет стековую модель устройства и базовые слова языка Forth. Процессоры этой архитектуры отличаются малым числом наиболее востребованных команд и использованием длинных командных слов, что позволяет получить выполнение ряда непротиворечивых команд за единый цикл работы процессора. Порядок исполнения команд определяется так, чтобы максимально загрузить маршруты, пропускающие потоки данных.

Все вышеназванные архитектуры могут применять «спекулятивное исполнение команд», то есть исполнение команды заранее, когда ещё неизвестна её необходимость. Это позволяет увеличить производительность.

VLIW

VLIW-архитектура (Very Long Instruction Word) относится к микропроцессорам, применяющим очень длинные команды за счёт наличия нескольких вычислительных устройств. В отдельных полях команды присутствуют коды, которые обеспечивают реализацию различных операций. Одна команда в VLIW может исполнить одновременно несколько операций в разных узлах микропроцессора. Формированием таких длинных команд занимается соответствующий компилятор во время трансляции программ, которые написаны на высокоуровневом языке.

VLIW-архитектура, являясь достаточно перспективной для разработки нового поколения высокопроизводительных процессоров, реализована в некоторых современных микропроцессорах:

Intel Itanium;
AMD/ATI Radeon (с R600 до Northern Islands);
серия «Эльбрус».

VLIW схожа с архитектурой CISC, имея собственный аналог спекулятивной реализации команд. Однако спекуляция выполняется не при работе программы, а при компиляции, что делает VLIW-процессоры устойчивыми к уязвимостям Spectre и Meltdown. Компиляторы в этой архитектуре привязаны к определённым процессорам. Так, в следующем поколении наибольшая длина одной команды может из 256 бит превратиться в 512 бит, и тогда придётся выбирать между обратной совместимостью со старым типом процессора и возрастанием производительности посредством компиляции под новый процессор. И в этом случае Open Sourсe даёт возможность получить программу под определённый процессор при помощи перекомпиляции.

Развитием указанных архитектур стали различные гибридные архитектуры. К примеру, современные x86_64 процессоры CISC-совместимы, однако имеют RISC-ядро. В этих CISC-процессорах CISC-инструкции переводятся в набор RISC-команд. Вероятно, в дальнейшем разнообразие гибридных архитектур только возрастёт.

Мы уже проделали немалый путь к пониманию работы процессора. Начинали мы с самого нижнего уровня абстракции, говорили о транзисторах и логических схемах. После этого переходили к более сложным функциональным блокам. Если вы проделали весь этот путь вместе с каналом, то не забудьте поставить палец вверх, чтобы поддержать эту рубрику!

Сегодня мы будем говорить о микроархитектуре процессора. Для начала определим, что это такое.

Микроархитектура является связующим звеном между логическими схемами и архитектурой. В рамках нашего повествования микроархитектура - это следующий уровень сложности. Она описывает, как именно в процессоре расположены и соединены друг с другом регистры, АЛУ, схемы конечных состояний, блоки памяти и многое другое, необходимое для реализации архитектуры.

У каждой архитектуры, в том числе у многим известной x86 , может быть много различных микроархитектур, обеспечивающих разное соотношение производительности, цены и сложности. Все они смогут выполнять одни и те же программы, но их внутреннее устройство может очень сильно отличаться.

В частном случае состав микроархитектуры определяется тем, какой список команд предусмотрен для данного процессора. Но в общем, в любой микроархитектуре существует разделение на два блока .

Тракт данных - это часть микроархитектуры, которая включает в себя компоненты, которые работают над обработкой данных. Тракт данных получает из памяти все необходимые данные, осуществляет над ними все нужные операции и сохраняет это обратно в память.

Сам тракт данных не знает, что именно нужно совершить с данными, да и вообще, он может не знать можно ему перезаписывать данные в памяти. Определением типа операций, разрешением записи данных и так далее, занимается устройство управления - это второй блок микроархитектуры.

Любая микроархитектура обязана обладать блоками хранения. В самом простом случае мы будем иметь: счетчик команд, регистровый файл и память . Так как мы будем рассматривать Гарвардскую (?) микроархитектуру, память данных и память команд у нас будут разделены. Сейчас обговорим, что и для чего нужно.

Счетчик команд является так называемым хранителем архитектурного состояния системы. То есть благодаря ему мы можем на каждом этапе работы микропроцессора знать, чем он занят. Сам счетчик команд постоянно указывает на какое-либо место в памяти команд. Та команда, на которую указывает счетчик, извлекается процессором и выполняется в тракте данных. После ее завершения значение счетчика изменяется в зависимости от того, как завершилась предыдущая команда. И так повторяется каждый раз. По своему устройству он представляет собой обычный регистр.

Память команд нужна для того, чтобы хранить команды необходимые для выполнения программ на данном процессоре. Вообще под командой мы понимаем в буквальном смысле инструкцию действий для процессора. Например: мы можем сказать процессору, чтобы он взял какие-нибудь два числа, которые хранятся в каком-либо месте в памяти и сложил их, а результат записал в третье место в памяти.

Память данных необходима для того, чтобы хранить данные с которыми будет работать программа по мере ее выполнения. Это как раз те самые два числа, о которых мы с вами говорили.

Ну и регистровый файл - это просто набор регистров, которые хранят в себе данные, с которыми работает процессор непосредственно в момент выполнения команды. В нашем примере, когда мы сказали процессору, какие два числа мы хотим сложить, он извлекет их из памяти и запишет в этот регистровый файл. Из него он сможет максимально быстро поработать с ними. Но основное удобство этого блока состоит в том, что если следующей команде будет необходим результат этого сложения, то процессор сможет не тратить время на обратную запись результата и повторное его извлечение, а просто оставить его в регистровом файле и дать доступ к этому регистру следующей команде.

И вот мы разобрали все блоки, которые необходимы микроархитектуре для хранения. В качестве исполняющего устройства используются АЛУ. Если вы не знаете что это такое, то переходите по ссылке на статью. Все эти компоненты соединяются массой различных способов при помощи промежуточных регистров, мультиплексоров и другого.

Глобально существует всего несколько типов микроархитектур, которые мы с вами разберем в следующих статьях. Сегодня мы лишь поверхностно ознакомились с таким понятием как микроахритектура. В следующих статьях я расскажу об основных ее типах и мы с вами попробуем самостоятельно разработать какую-нибудь микроархитектуру. А чтобы не пропустить новых статей, подписывайтесь на канал и поддерживайте выпуски лайками, так я буду видеть вашу заинтересованность! Всего вам доброго и до скорых встреч!

Используемая вами версия браузера не рекомендована для просмотра этого сайта.
Установите последнюю версию браузера, перейдя по одной из следующих ссылок.

Успевайте делать больше с меньшими затратами

Передовые разработки в микроархитектуре позволяют создавать более компактные и более производительные устройства. Также они являются основой бизнес-модели Intel и ее успеха. Благодаря продуманной конструкции и интеллектуальным процессорным технологиям Intel по-прежнему лидирует в отрасли, разрабатывая еще более портативные транзисторы для создания более энергоэффективных и производительных процессорных ядер.

Что такое микроархитектура?

Микроархитектура — это схема элементов микросхемы. Эта схема, объединенная с передовой нанотехнологией, расширяет возможности вычислительных устройств и повышает их энергоэффективность. Специалисты Intel по микроархитектурам продолжают делать гигантские шаги вперед в области инноваций и не так давно представили первые в мире трехмерные 22-нанометровые транзисторы.

Что нового

Узнайте о преимуществах новой микроархитектуры Intel® (прежнее название — Haswell), которая поддерживает более быстрые и более компактные платформы и обеспечивает улучшенное качество HD-графики, более высокий уровень безопасности, уменьшенное время отклика и превосходную мобильность благодаря автоматической настройке беспроводной связи.

Разработка трехмерной 22-нанометровой микроархитектуры

В соответствии с законом Мура и моделью «Тик-так» корпорация Intel продолжает развивать свои исторические достижения в области микроархитектур, успешно тестируя первый трехмерный 22-нанометровый транзистор и разрабатывая 14-нанометровые технологии следующего поколения.

Представленная в процессорах Intel® Core™ 3-го поколения трехмерная 22-нанометровая микроархитектура Intel® знаменует новый уровень в фундаментальной структуре компьютерных микросхем. До этих пор транзисторы представляли собой исключительно двухмерные (плоские) устройства. В трехмерном транзисторе Intel® используются три затвора, которые размещаются вокруг кремниевого канала в трехмерной структуре, обеспечивая непревзойденное сочетание высокой производительности и сверхнизкого энергопотребления.

Эта новая технология позволяет Intel создавать еще более мощные микропроцессоры, предоставляющие повышенную производительность и увеличенное время автономной работы при меньших финансовых затратах, а также создавать еще более компактные устройства, такие как Ultrabook™.

Микроархитектура процессора Intel® Atom™

Постоянные инновации в микроархитектуре лежат в основе Intel® Atom™, самого маленького и самого универсального процессора из семейства Intel. Процессор Intel® Atom™ позволил создать широкий спектр переносных устройств, включая нетбуки, планшетные ПК, карманные ПК, смартфоны, интеллектуальные телевизоры, интеллектуальные системы и бытовую электронику, обеспечив компактные устройства беспрецедентной производительностью обработки аудио и видео.

Архитектура Intel® Many Integrated Core

Архитектура Intel® Many Integrated Core (архитектура Intel® MIC) — это новейшая передовая разработка в сфере быстродействия суперкомпьютеров, производительности и совместимости. Она обеспечивает на одном кристалле пиковую производительность до одного триллиона операций с плавающей запятой. В архитектуре Intel MIC интенсивно используются параллельные вычисления. Она ориентирована на рынок высокопроизводительных вычислений (HPC), на котором параллельная обработка используется для моделирования климата, создания финансовых моделей, выполнения генетического анализа и обработки медицинских изображений и других применений.

Другие видеоролики. Внимание: в данном разделе могут быть представлены материалы на английском языке.

Объяснение принципа работы 14-нанометровых транзисторов — следование закону Мура

Сотрудник корпорации Intel Марк Бор (Mark Bohr) рассказывает о новой 14-нанометровой транзисторной технологии и о том, как каналы транзисторов tri-gate, которые стали выше, тоньше и расположены ближе друг к другу, обеспечивают более высокую производительность, меньшее энергопотребление и более продолжительное время автономной работы для расширения возможностей компьютеров.

Марк Бор о нанотехнологиях: объяснение принципов работы 22-нанометровой технологии

Трехмерные транзисторы Intel® Tri-Gate, а также возможность их массового производства, ознаменовали собой существенное изменение основной структуры компьютерной микросхемы. Узнайте подробнее об истории транзисторов.

Ниже приведен частичный список микроархитектур ЦП Intel . Список неполный . Дополнительные сведения можно найти в Intel, Тик-так модель и процесс-архитектуры оптимизации модели .

СОДЕРЖАНИЕ

x86 микроархитектуры

16 бит

32-бит ( IA-32 )

Pentium M : обновленная версия микроархитектуры Pentium III P6, разработанная с нуля для мобильных вычислений, и первая x86 для поддержки объединения микроопераций и интеллектуального кеширования.
Enhanced Pentium M : обновленная двухъядерная версия микроархитектуры Pentium M, используемая в первых микропроцессорах Intel Core, первый x86 с архитектурой теневого регистра и технологией шага скорости .

64-бит ( x86-64 )

Penryn : 45-нанометровое сжатие микроархитектуры Core с большим кешем, более высокой FSB и тактовой частотой, инструкциями SSE4.1 , поддержкой инструкций XOP и F / SAVE и F / STORE, расширенной таблицей псевдонимов регистров и большим целочисленным файлом регистров.

Westmere : усадка микроархитектуры Nehalem на 32 нм с несколькими новыми функциями.

Ivy Bridge : преемник Sandy Bridge, использующий техпроцесс 22 нм, выпущенный в апреле 2012 года.

Broadwell : уменьшение 14 нм микроархитектуры Haswell, выпущено в сентябре 2014 года. Ранее называлось Rockwell.

Kaby Lake : преемник Skylake, выпущенный в августе 2016 года, нарушил график Intel Tick-Tock из-за задержек с процессом 10 нм.
- Amber Lake : сверхнизкое энергопотребление, только для мобильных устройств, преемник Kaby Lake, использующее техпроцесс 14+ нм, выпущенный в августе 2018 г. (без изменений архитектуры)
- Whiskey Lake : мобильный преемник Kaby Lake Refresh, использующий техпроцесс 14 ++ нм, выпущенный в августе 2018 г. (имеет аппаратные средства защиты от некоторых уязвимостей)
- Cannon Lake : мобильный преемник Kaby Lake, использующий 10-нм техпроцесс Intel, первая и единственная микроархитектура для реализации ядра Palm Cove, выпущенная в мае 2018 года. Ранее называлась Skymont, выпуск прекращен в декабре 2019 года.
- Ice Lake : маломощный преемник Whiskey Lake только для мобильных устройств, использующий техпроцесс 10 нм, выпущенный в сентябре 2019 г.
- Lakefield: только для мобильных устройств, первый гибридный процессор Intel, выпущенный в июне 2020 года. Sunny Cove используется в производительных ядрах (P-ядрах) процессоров Lakefield.
- Ice Lake-SP: только серверный преемник Cascade Lake, использующий техпроцесс 10 нм, выпущенный в апреле 2021 г.
- Rocket Lake : преемник Comet Lake, использующий техпроцесс Intel 14 ++ нм, выпущенный 30 марта 2021 г.
- Tiger Lake : преемник Ice Lake, использующий процесс Intel 10 нм SuperFin (10SF), выпущенный в четвертом квартале 2020 г.
- Alder Lake : гибридный процессор, пришедший на смену Rocket Lake и Tiger Lake; использует процесс Intel 7 (ранее известный как 10ESF), который будет выпущен 19 ноября 2021 года. Golden Cove используется в P-ядрах процессоров Alder Lake.
- Sapphire Rapids : только сервер, преемник Ice Lake-SP, также использует процесс Intel 7.
x86 ULV ( Атом )
- Saltwell : усадка микроархитектуры Bonnell на 32 нм.
- Airmont : усадка микроархитектуры Silvermont на 14 нм.
- Goldmont Plus : преемник микроархитектуры Goldmont, все еще основанный на техпроцессе 14 нм, выпущенный 11 декабря 2017 года.
- Lakefield: только для мобильных устройств, первый гибридный процессор Intel, выпущенный в июне 2020 года. Tremont используется в ядрах эффективности (E-core) процессоров Lakefield.
- Alder Lake : гибридный процессор, пришедший на смену Rocket Lake и Tiger Lake, который будет выпущен 19 ноября 2021 года. Gracemont используется в E-ядрах процессоров Alder Lake.
Другие микроархитектуры

IA-64 ( Itanium )

Мерсед оригинальная микроархитектура Itanium. Используется только в первых микропроцессорах Itanium . Маккинли улучшенная микроархитектура, используемая в первых двух поколениях микропроцессоров Itanium 2 . Монтесито улучшенная микроархитектура McKinley, используемая в процессорах Itanium 2 серий 9000 и 9100. Добавлены двухъядерный процессор, грубая многопоточность и другие улучшения. Туквила улучшенная микроархитектура, используемая в процессорах серии Itanium 9300. Добавлены четырехъядерный процессор, SMT, встроенный контроллер памяти, QuickPath Interconnect и другие улучшения. Поулсон Процессор Itanium с новой микроархитектурой. Киттсон последняя микроархитектура Itanium. Его тактовая частота немного выше, чем у Poulson.

Разное

XScale микроархитектура, реализующая набор команд архитектуры ARM . Ларраби (отменен в 2010 году) многоядерный упорядоченный x86-64 обновленная версия микроархитектуры P5 с широкими векторными модулями SIMD и оборудованием для выборки текстур для использования в графике. Ядра, производные от этой микроархитектуры, называются MIC (многие интегрированные ядра).

Читайте также: