Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Четыре микропроцессора Alpha 21164 золотого цвета с тактовой частотой 300 МГц на процессорной плате Cray T3E-600 .
DEC Alpha 21164 (EV5) штамп

Альфа 21164 , также известный под кодовым названием, EV5 , является микропроцессором разработан и изготовлен с помощью Digital Equipment Corporation , реализующего Альфа набора команд архитектуры (ISA). Он был представлен в январе 1995 года, сменив Alpha 21064A в качестве флагманского микропроцессора Digital. На смену ему в 1998 году пришла Alpha 21264 .

История [ править ]

Первый чип Alpha 21164 был выпущен в феврале 1994 года, и операционные системы OpenVMS , Digital UNIX и Windows NT были успешно загружены на нем. Он был отобран в конце 1994 года и представлен в январе 1995 года на частоте 266 МГц. Версия 300 МГц была представлена ​​в марте 1995 года. Окончательная версия Alpha 21164, версия 333 МГц, была анонсирована 2 октября 1995 года и будет доступна в виде образцов. Alpha 21164 был заменен Alpha 21164A в качестве флагманского микропроцессора Digital в 1996 году, когда версия с частотой 400 МГц стала доступной в больших количествах.

Пользователи [ править ]

Digital использовала Alpha 21164, работающую на различных тактовых частотах, на своих серверах AlphaServer , рабочих станциях AlphaStation . Digital также использовала Alpha 21164 в своих одноплатных компьютерах Alpha VME 5/352 и Alpha VME 5/480 и материнских платах AlphaPC 164 и AlphaPC 164LX . Партнер Alpha, компания Cray Research, использовала Alpha 21164 с частотой 300 МГц в своем суперкомпьютере T3E-600 . Сторонние производители, такие как DeskStation, также создавали рабочие станции с использованием Alpha 21164.

Производительность [ править ]

21164 продолжал лидировать по производительности с 275 МГц Alpha 21064A до появления Intel Pentium Pro в ноябре 1995 года, когда версия на 200 МГц превзошла 300 МГц 21164 в наборе тестов SPECint95_base . 21164 сохранил лидерство по производительности с плавающей запятой. 333 МГц 21164, представленный в следующем году, превзошел Pentium Pro, но позже его превзошли MIPS Technologies R10000, а затем Hewlett-Packard PA-8000 в том же году. [1]

Описание [ править ]

Alpha 21164 - это суперскалярный микропроцессор с четырьмя проблемами, способный выдавать максимум четыре инструкции за такт четырем исполнительным блокам: двум целочисленным и двум с плавающей запятой . Целочисленный конвейер состоит из семи этапов, а конвейер с плавающей запятой - из десяти этапов. 21164 реализовал 43-битный виртуальный адрес и 40-битный физический адрес . Таким образом, он мог адресовать 8 ТБ виртуальной памяти и 1 ТБ физической памяти .

Целочисленная единица [ править ]

Целочисленный блок состоит из двух целочисленных конвейеров и целочисленного регистрового файла . Два конвейера, конвейер добавления и конвейер умножения не идентичны, каждый отвечает за выполнение разных инструкций, хотя оба способны выполнять общие инструкции добавления, логического, загрузки, сравнения и условного перемещения. Конвейер умножения выполняет исключительно инструкции сдвига, сохранения и умножения (в неконвейерном умножителе). Конвейер добавления выполняет исключительно инструкции ветвления.

За исключением инструкций ветвления, условного перемещения и умножения, все другие инструкции начинают и заканчивают выполнение на пятом этапе с задержкой в ​​один цикл. Инструкции перехода и условного перемещения выполняются на шестом этапе, поэтому они могут быть выданы с инструкцией сравнения, от результата которой они зависят.

Файл целочисленных регистров содержал сорок 64-битных регистров, тридцать два из которых определены Alpha Architecture, а восемь предназначены для использования PALcode в качестве оперативной памяти. Регистровый файл имеет четыре порта чтения и два порта записи, равномерно разделенных между двумя целочисленными конвейерами. [2]

Единицы с плавающей запятой [ править ]

Блок с плавающей запятой состоял из двух конвейеров с плавающей запятой и файла регистров с плавающей запятой. Два конвейера не идентичны: один выполнял все инструкции с плавающей запятой, кроме умножения, а другой выполнял только инструкции умножения. Оба трубопровода состоят из четырех ступеней. К конвейеру добавления подключен неконвейерный делитель с плавающей запятой. Все инструкции с плавающей запятой, кроме деления, имеют задержку в четыре цикла. Деления имеют переменную задержку, которая зависит от того, выполняется ли операция над числами и числами с плавающей запятой одинарной или двойной точности . Включая накладные расходы, делители одинарной точности имеют задержку от 15 до 31 цикла, тогда как деления двойной точности имеют задержку от 22 до 60 циклов.

Кэш [ править ]

21164 имеет три уровня кэш-памяти : два встроенных и один внешний и дополнительный. Кэши и соответствующая логика состояли из 7,2 миллиона транзисторов. [3]

Первичный кэш разделен на отдельные кеши для инструкций и данных, которые называются I-cache и D-cache соответственно. Они имеют размер 8 КБ, прямое отображение и размер строки кэша 32 байта. D-кеш является двухпортовым для повышения производительности и реализуется путем двойного дублирования кеша. Он использует политику сквозной записи и политику распределения при чтении.

Вторичный кэш, известный как S-cache, находится на кристалле и имеет емкость 96 КБ. Вторичный кэш на кристалле требовался, поскольку 21164 требовал большей пропускной способности, чем мог предоставить внешний вторичный кэш, чтобы обеспечить его достаточным количеством инструкций и данных. [4] Из-за большой площади кеш-памяти требовалось два цикла для доступа. Для повышения производительности кэш конвейерный. Еще одним преимуществом вторичного кэша на кристалле было то, что его можно было легко реализовать как многопользовательский кеш, и в результате кэш является трехсторонним ассоциативным , что обеспечивает более высокую частоту совпадений, чем кеши с прямым отображением. [5]S-кэш из-за требуемой большой физической области был реализован в виде двух половин, расположенных по бокам I-box, E-box, F-box и M-box. Это было сделано для того, чтобы кеш мог возвращать данные за два цикла.

Третичный кэш, известный как B-кэш, реализован с помощью внешних SRAM. B-кеш был необязательным, и в некоторых системах, использующих Alpha 21164, его не было. Емкость B-кэша может составлять от 1 до 64 МБ, меньшие емкости не поддерживаются, поскольку они становятся бесполезными из-за встроенного S-кеша. [6] Он имеет прямое отображение, использует политику записи с обратной записью и политику распределения при записи. B-кэш управляется логикой внешнего интерфейса на кристалле, в отличие от 21064, для которого требовался внешний контроллер кеша. B-кэш может быть построен с использованием асинхронных или синхронных SRAM. Доступ к B-кешу осуществляется через системную шину.

Внешний интерфейс [ править ]

Разъем 499 для Alpha 21164

Внешний интерфейс представляет собой 128-битную системную шину. Системная шина работает на тактовой частоте, которая в 3–15 раз ниже внутренней тактовой частоты или от 20 до 100 МГц при внутренней тактовой частоте 300 МГц. Тактовый сигнал системной шины генерируется микропроцессором.

Часы [ править ]

Внутренняя тактовая частота генерируется делением внешнего тактового сигнала на два. Таким образом, Alpha 21164 требует внешнего тактового сигнала 600 МГц для Alpha 21164 300 МГц.

Изготовление [ править ]

Alpha 21164 содержит 9,3 миллиона транзисторов на кристалле размером 16,5 на 18,1 мм (299 мм 2 ), что близко к максимальным пределам процесса. Кристалл был изготовлен с использованием технологии комплементарного металл-оксид-полупроводник (CMOS) пятого поколения компании Digital , CMOS-5, процесса 0,50 мкм с четырьмя уровнями межсоединения из алюминия . [7] В 21164 использовался источник питания 3,3 В (В). Он рассеивал 46 Вт на 266 МГц, 51 Вт на 300 МГц, 56 Вт на 333 МГц.

Пакет [ править ]

Alpha 21164 упакован в 499-контактную керамическую решетку с промежуточными штырями (IPGA) размером 57,40 на 57,40 мм. В упаковке был теплоотвод с двумя шпильками, к которым был прикручен радиатор .

Производные [ править ]

Альфа 21164 (EV56) [ править ]

Микропроцессор Alpha 21164 (EV56) 500 МГц
Кадр Samsung Alpha 21164 (EV56)

Alpha 21164 был основой дальнейшего развития под кодовым названием EV56 . Он был представлен как Alpha 21164, но первоначально был известен как Alpha 21164A . Он работал на тактовых частотах 366, 433, 500, 533, 600 и 666 МГц. [8] [9]

История [ править ]

Впервые он был описан в октябре 1995 года на форуме Microprocessor Forum. 13 ноября 1995 года Digital объявила, что образцы будут отправлены позже в этом месяце. Первая версия, работающая на частоте 366 МГц, была представлена ​​в 1996 году. 8 июля 1996 года Digital объявила, что доступна версия с частотой 433 МГц и версия с частотой 500 МГц, производящая отбор проб, объем которых должен быть запланирован в сентябре 1996 года. Версия с частотой 433 МГц была оценена в 1492 долл. США за единицу в количестве 1000 шт. Версия 600 МГц была представлена ​​31 марта 1997 года и поставляется в больших количествах. Samsung Electronics подписала сделку с Digital в июне 1996 года со вторым источником.Alpha 21164A, и компания была единственной, кто изготовил модель 666 МГц. 366 до 500 МГц образцы были введены 11 ноября 1996 года с наличием объема в 1997 году Альфа - 21164A было сфабриковано в Digital в Гудзон, штат Массачусетс и Kihueng компании Samsung, Южная Корея изготовления растений .

Пользователи Alpha 21164A включали Cray Research, Digital, Network Appliance (теперь NetApp) и DeskStation. Cray Research использовала Alpha 21164As с частотой 450, 600 и 675 МГц в более поздних моделях своего суперкомпьютера T3E . Компания Digital использовала Alpha 21164A, работающую на различных тактовых частотах, на своих серверах AlphaServer , AlphaStation , рабочих станциях Celebris XL и цифровых персональных рабочих станциях . NetApp использовала Alpha 21164As с тактовой частотой 400, 500 и 600 МГц в своих системах хранения . DeskStation использовала Alpha 21164A в своих рабочих станциях Raptor Reflex.

Описание [ править ]

Наиболее заметным изменением стало включение Byte Word Extensions (BWX), расширения Alpha Architecture, предназначенного для улучшения доступа к байтам и словам. Эти инструкции выполняются конвейером умножения. Alpha 21164A содержал 9,66 миллиона транзисторов на кристалле размером 14,4 на 14,5 мм при площади кристалла 209 мм 2 . [10] Digital изготовила кристалл по технологии CMOS шестого поколения, CMOS-6, 0,35 мкм процесса с четырьмя слоями межсоединений. Компания Samsung изготовила кристалл по процессу 0,35 мкм с четырьмя слоями межсоединения на основе процесса 0,3 мкм, разработанного в начале 1996 года. Alpha 21164A использовал источник питания 3,3 В, рассеивая 31,0 Вт на 366 МГц, 36,0 Вт на 433 МГц, 41,0 Вт на 500 МГц, 43,5 Вт на 533 МГц и 48,5 Вт на 600 МГц.

Alpha 21164PC (PCA56) [ редактировать ]

Альфа 21164PC , также известный как PCA56 , версия недорогой Альфа 21164A , поданную 17 марта 1997 Микропроцессор был разработан совместно Digital и Mitsubishi Electric Corporation , и обе компании изготавливают дизайн. Позже Mitsubishi приостановила соглашение о совместной разработке будущих микропроцессоров Alpha с Digital в начале 1998 года и прекратила производство Alpha 21164PC в середине 1998 года, ушла с рынка Alpha из-за экономических условий на рынках компании. [11] [12]

Alpha 21164PC работал на тактовых частотах 400, 466 и 533 МГц. Основными изменениями являются отсутствие S-кеша, увеличенного I-кеша и включение инструкций видео движения (MVI), расширения к Alpha-архитектуре, которое представило инструкции с одной инструкцией и множественными данными (SIMD) для повышения производительности MPEG.кодирование. S-кэш был удален, чтобы уменьшить количество транзисторов, что уменьшило размер кристалла и, в свою очередь, стоимость. Емкость I-кеша была увеличена вдвое с 8 КБ до 16 КБ, чтобы компенсировать отсутствие S-кеша, так как Alpha 21164 полагался на S-кеш, чтобы дополнить I-кеш, чтобы обеспечить достаточную пропускную способность для достижения адекватной производительности. . Объем B-кеша был ограничен от 512 КБ до 4 МБ, при этом также поддерживалась емкость 1 и 2 МБ. Микропроцессор использует 43-битный виртуальный адрес и 33-битный физический адрес.

Alpha 21164PC содержит 3,5 миллиона транзисторов на кристалле размером 8,65 на 16,28 мм при площади кристалла 141 мм 2 . Digital изготовила матрицу в том же процессе, что и Alpha 21164, CMOS-5. Alpha 21164PC был упакован в 413-контактный IPGA размером 49,78 на 49,78 мм. Он использовал источник питания 3,3 В, рассеивая 26,5 Вт на 400 МГц, 30,5 Вт на 466 МГц и 35,0 Вт на 533 МГц.

Alpha 21164PC использовался Digital в их материнской плате AlphaPC 164SX.

Alpha 21164PC (PCA57) [ править ]

Производная от PCA56, PCA57 была разработана и изготовлена Samsung Electronics по технологии CMOS 0,28 мкм. PCA57 был представлен в конце 1998 года и работал на тактовых частотах 533, 600 и 666 МГц. Улучшения в микроархитектуре PCA56 включали удвоение емкости I-cache и D-cache: 32 КБ и 16 КБ соответственно. PCA57 содержал 5,7 миллиона транзисторов на кристалле размером 6,7 на 15 мм при площади кристалла 101 мм 2 . Он работал от источника питания 2,5 В и рассеивал 18 Вт на 533 МГц, 20 Вт на 600 МГц и 23 Вт на 666 МГц.

PCA57 использовался Digital в своей материнской плате AlphaPC 164RX.

Наборы микросхем [ править ]

Digital и VLSI Technology разработали наборы микросхем для 21164 и его производных. Digital также разработала специализированные интегральные схемы для конкретных приложений (ASIC) для использования в высокопроизводительных моделях своего семейства AlphaServer, таких как AlphaServer 8200 и 8400.

21171 [ править ]

21171, также известный как Alcor, был первым чипсетом для 21164, представленным в январе 1995 года вместе с микропроцессором, который он поддерживает. Он был разработан и изготовлен Digital. 21171 - это модернизированный DECchip 21071, модифицированный для поддержки нового протокола системной шины, который использует 21164. Он состоял из управляющей микросхемы, содержащей контроллеры памяти и PCI , а также четырех микросхем срезов данных, которые связывали 256-битную шину памяти и шину PCI с системной шиной. 21171 имеет 64-битную шину PCI, работающую на частоте 33 МГц.

21172 [ править ]

21172, также известный как Alcor2, был обновленным 21171, который поддерживал 21164A.

Pyxis [ править ]

Набор микросхем Pyxis, также известный как 21174, поддерживает микропроцессоры 21164A и 21164PC. В отличие от предыдущих наборов микросхем, он был разработан для недорогих систем. В результате это была однокристальная конструкция, заключенная в решетку из керамических шариков с 474 контактами (CBGA) вместо нескольких корпусов. [13] Впоследствии он использовался в чувствительных к стоимости приложениях, таких как рабочие станции начального уровня ( цифровые персональные рабочие станции серии a ) и материнские платы, такие как AlphaPC 164LX и 164SX. Когда он был представлен, 21174 стоил 142 доллара США в количестве 1000 штук. [14]

21174 содержит контроллер памяти и контроллер PCI. Контроллер памяти поддерживает до 512 МБ синхронной динамической памяти с произвольным доступом (SDRAM) и обращается к ней через 128-битную шину памяти . Память может быть защищена ECC или контролем четности. Контроллер PCI обеспечивал шину PCI или PCI-X .

Полярная звезда [ править ]

Polaris - это системный контроллер, разработанный компанией VLSI Technology для персональных компьютеров, который поддерживает микропроцессоры 21164A и 21164PC. Polaris был анонсирован 16 июня 1997 года. [15] Он поддерживает до 768 МБ EDO DRAM или до 512 МБ SDRAM. Доступ к памяти осуществляется через 128-битную шину. Он обеспечивает 32-битную шину PCI с частотой 33 МГц для ввода-вывода.

Пользователи Polaris использовали Digital для своей материнской платы AlphaPC 164RX.

Заметки [ править ]

  1. ^ Гвеннап 1996
  2. ^ Боухилл и др., "Реализация схемы 64-разрядного процессора CMOS Alpha второго поколения с тактовой частотой 300 МГц" , стр. 124.
  3. ^ Боухилл и др., "Реализация схемы 64-разрядного процессора CMOS Alpha второго поколения с тактовой частотой 300 МГц" , стр. 111.
  4. ^ Gwennap, "Digital приводит пакет с 21164" , стр. 1.
  5. ^ Gwennap, "Digital приводит пакет с 21164" , стр. 1-2.
  6. ^ Gwennap, "Digital приводит пакет с 21164".
  7. ^ Боухилл и др., "Схемная реализация 64-разрядного ЦП второго поколения CMOS Alpha 300 МГц" , стр. 100–101.
  8. ^ Альфа 21164 Лист Микропроцессор данных, август 1998 , стр. 113.
  9. ↑ Digital Semiconductor 21164 Alpha Microprocessor Product Brief, 31 марта 1997 г. , стр. 2.
  10. ^ Бушар, "Конструктивные объективы микропроцессора Alpha 21164 0,35 мкм" , стр. 3, 5.
  11. ^ Форемски, "Мицубиси отступает от Альфы" .
  12. ^ Форемски, «Mitsubishi Electric останавливает Альфа микропроцессорное производство» .
  13. ^ Шуман 1997
  14. ^ Гвеннап 1997
  15. ^ Технология СБИС 1997

Ссылки [ править ]

  • Бушар, Грегг. «Конструктивные цели микропроцессора Alpha 21164 0,35 мкм» . Симпозиум IEEE Hot Chips, август 1996 г., IEEE Computer Society.
  • Боухилл, Уильям Дж. И др. (1995). «Реализация схемы 64-разрядного процессора CMOS Alpha второго поколения с тактовой частотой 300 МГц». Цифровой технический журнал , том 7, номер 1, стр. 100–118.
  • Эдмондсон, Джон Х. и др. (1995). «Внутренняя организация Alpha 21164, 64-битного четырехъядерного CMOS RISC микропроцессора с частотой 300 МГц». Цифровой технический журнал , том 7, номер 1, 1995. С. 119–135.
  • Эдмондсон, Джон Х. и др. (1995). «Выполнение суперскалярных инструкций в микропроцессоре 21164 Alpha». IEEE Micro . С. 33–43.
  • Формски, Том (10 февраля 1998 г.). «Мицубиси отступает от Альфы» . Еженедельник электроники .
  • Формски, Том (10 июля 1998 г.). «Mitsubishi Electric прекращает производство микропроцессоров Alpha» . Еженедельник электроники .
  • Гвеннап, Линли (12 сентября 1994 г.). «Digital лидирует с 21164». Отчет микропроцессора , том 8, номер 12.
  • Гвеннап, Линли (8 июля 1996 г.). «Digital 21164 достигает 500 МГц». Отчет микропроцессора , том 10, номер 9.
  • Гвеннап, Линли (31 марта 1997 г.). «21164PC от компании Digital нацелен на рынок ПК». Отчет микропроцессора , том 11, номер 4.
  • Райан, Боб (октябрь 1994 г.). "Альфа едет высоко". Байт .
  • Samsung Semiconductor, Inc. (11 ноября 1996 г.). « Samsung представляет микропроцессор Alpha 21164 с тактовой частотой 500 МГц; первый продукт в результате лицензионного соглашения Digital / Samsung, массовое производство которого начнется во втором квартале 1997 года ». Пресс-релиз.
  • Шуман, Рейнхард К. (1997). «Дизайн контроллера памяти 21174 для цифровых персональных рабочих станций» . Цифровой технический журнал 9 (2): 57–70.
  • Технология СБИС (16 июня 1997 г.). «Polaris, новый системный контроллер VLSI Alpha, преодолевает барьер передачи памяти в гигабайтах в секунду. Конечные пользователи получают полную производительность на системах Alpha». Пресс-релиз.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бэннон, П., Сайто, Ю. (1997). «Микропроцессор Alpha 21164PC» . Труды Compcon '97 , стр. 20–27.
  • Бхандаркар, Дилип П. (1995). Альфа-архитектура и реализации . Цифровая пресса.
  • Карлсон, Д. и др. (1998). «Микропроцессор RISC с частотой 667 МГц, содержащий целочисленный умножитель 6,0 нс 64 b». Сборник технических документов ISSCC , стр. 294–295.
  • Карлсон, Д.А.; Кастелино, RW; Мюллер, РО (ноябрь 1997 г.). «Мультимедийные расширения для RISC-микропроцессора с частотой 550 МГц» . Журнал IEEE по твердотельным схемам 32 (11): стр. 1618–1624.
  • Jain, AK et al. (1997). « Микропроцессор 1,38 см 2 550 МГц с мультимедийными расширениями». Сборник технических документов ISSCC , стр. 174–175, 451.
  • Gronowski, Paul E. et al. (Май 1998 г.). «Высокопроизводительный микропроцессорный дизайн». IEEE Journal of Solid-State Circuits 33 (5): pp. 676–686.
  • Кобаяши, С. и др. (1997). «Микропроцессор Alpha 550 МГц, предназначенный для приложений ПК» . Материалы Международного симпозиума 1997 г. по технологиям, системам и приложениям СБИС , стр. 203–207.

Внешние ссылки [ править ]

  • Обзор микроархитектуры Alpha AXP 21164, лекция Джона Эдмонсона