Архитектуры AMD 64 (K8) и Stars

AMD64 (также x86-64 или x64) — 64-битная архитектура микропроцессора и соответствующий набор инструкций, разработанные компанией AMD. Это расширение архитектуры x86 с полной обратной совместимостью. Набор инструкций x86-64 в настоящее время поддерживается процессорами AMD Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2, Turion 64, Opteron, последними моделями Sempron. Интересно, что этот набор инструкций был поддержан основным конкурентом AMD — компанией Intel под названием EM64T или IA-32e в поздних моделях процессоров Pentium 4, а также в Pentium D, Pentium Extreme Edition, Celeron D, Core 2 Duo и Xeon. Корпорация Microsoft использует для обозначения этого набора инструкций термин x64.

Режимы работы

Процессоры архитектуры поддерживают два режима работы: Long mode («длинный» режим) и Legacy mode (режим совместимости с x86).

«Длинный» режим — «родной» для процессоров AMD64. Этот режим позволяет воспользоваться всеми дополнительными возможностями, предоставляемыми архитектурой AMD64. Для использования этого режима необходима 64-битная операционная система, например, Windows XP Professional x64 Edition или 64-битный вариант GNU/Linux. Этот режим позволяет выполнять 64-битные программы; также (для обратной совместимости) предоставляется поддержка выполнения 32-битного кода, например, 32-битных приложений, хотя 32-битные программы не смогут использовать 64-битные системные библиотеки, и наоборот. Чтобы справиться с этой проблемой, большинство 64-разрядных операционных систем предоставляют два набора необходимых системных файлов: один — для родных 64-битных приложений, и другой — для 32-битных программ. (Этой же методикой пользовались ранние 32-битные системы — например, Windows 95 — для выполнения 16-битных программ)

Данный режим позволяет процессору AMD64 выполнять инструкции, рассчитанные для процессоров x86, и предоставляет полную —совместимость с 32/16-битным кодом и операционными системами. В этом режиме процессор ведёт себя точно так же, как x86-процессор, например Pentium 4, и дополнительные функции, предоставляемые архитектурой AMD64 (например, дополнительные регистры) недоступны. В этом режиме 64-битные программы и операционные системы работать не будут.

Разработанный компанией AMD набор инструкций x86-64 (позднее переименованный в AMD64) — расширение архитектуры Intel IA-32 (x86-32). Основной отличительной особенностью AMD64 является поддержка 16-ти 64-битных регистров общего назначения (против 8-и 32-битных в x86-32), 64-битных арифметических и логических операций над целыми числами и 64-битных виртуальных адресов.

Архитектура x86_64 имеет

• 16 целочисленных 64-битных регистра общего назначения (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP, R8 — R15),

• 8 80-битных регистров с плавающей точкой (ST0 — ST7)

• 8 64-битных регистров Multimedia Extensions (MM0 — MM7, имеют общее пространство с регистрами ST0 — ST7)

• 16 128-битных регистров SSE (XMM0 — XMM15)

• 64-битный указатель RIP и 32-битный регистр флагов EFLAGS

Opteron (кодовое название Sledgehammer или K8) — первый микропроцессор фирмы AMD, основанный на 64-битной технологии AMD64 (также называемой x86-64). AMD создала этот процессор в основном для применения на рынке серверов, поэтому существуют варианты Opteron для использования в системах с 1-16 процессорами.

В июне 2004 года в Top500 суперкомпьютеров десятое место занял Dawning 4000A — китайский суперкомпьютер построенный на процессорах Opteron. В ноябре 2005 он опустился на 42 место, в связи с появлением более производительных конкурентов. Тогда в ноябрьском Top500 10 % суперкомпьютеров были построены на базе процессоров AMD64 Opteron. Для сравнения, на базе процессоров Intel EM64T Xeon были построены 16.2 % суперкомпьютеров. Две ключевые особенности

Двумя важными технологиями воплощёнными в процессоре Opteron являются: Прямая (без эмуляции) поддержка 32-битных x86 приложений без потери скорости Прямая (без эмуляции) поддержка 64-битных x86-64 приложений (линейная адресация более 4 ГБ ОЗУ)

Первая технология примечательна тем, что во время анонса процессора Opteron единственным 64-битным процессором с заявленной поддержкой 32-битных x86 приложений был Intel Itanium. Но Itanium выполнял 32-битные приложения со значительной потерей скорости.

Вторая технология, сама по себе не так примечательна, так как основные производители RISC процессоров (SPARC, DEC, HP, IBM, MIPS и другие) имели 64-битные решения уже много лет. Но совмещение в одном продукте этих 2-х свойств, напротив, принесло Opteron признание, так как он предлагал доступное и экономичное решение для запуска существующих x86 приложений с последующим переходом на более перспективные 64-битные вычисления.

Процессоры Opteron имеют интегрированный контроллер памяти DDR SDRAM. Это позволило существенно уменьшить задержки при обращении к памяти и исключить необходимость в отдельном чипе северного моста на материнской плате.

В мае 2005 года AMD представила первый «многоядерный» процессор Opteron. В настоящее время термин «многоядерный» компания AMD использует для обозначения «двухъядерных» процессоров; в каждом процессоре Opteron размещено 2 отдельных процессорных ядра. Это фактически удваивает вычислительную мощность доступную каждому процессорному разъёму на материнских платах, поддерживающих эти процессоры.

Одним из “топовых” процессоров AMD сегодня считается - Athlon X2 6000+ на ядре Windsor под сокет AM2. Этот процессор содержит два ядра Athlon 64, объединённых на одном кристалле с помощью набора дополнительной логики. Ядра имеют в своём распоряжении двухканальный контроллер памяти, базирующийся на Athlon 64 степпинга E, и в зависимости от модели, от 512 до 1024 КБ КЭШа 2-го уровня на каждое ядро. Athlon 64 X2 поддерживают набор инструкций SSE3 (которые ранее поддерживались только процессорами компании Intel), что позволило запускать с максимальной производительностью код, оптимизированный для процессоров Intel. Эти улучшения не уникальны для Athlon 64 X2 и так же имеются в релизах процессоров Athlon 64, построенных на ядрах Venice и San Diego. AMD официально начала поставки Athlon 64 X2 на выставке Computex 1 июня 2005 года.

Основным преимуществом, которое даёт двуядерные процессоры Athlon 64 X2 является возможность разделения запущенных программ на несколько одновременно выполняемых потоков. Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизм на уровне потоков (thread-level parallelism или (TLP)). При размещении двух ядер на одном кристале, Athlon 64 X2 обладает двойным TLP по сравнению с одноядерным Athlon 64 при той же скорости. Необходимость в TLP зависит от конкретной ситуации в большей степени и в некоторых ситуациях она просто бесполезна. Большинство программ написаны с расчётом на работу в однопоточном режиме, и поэтому просто не могут задействовать вычислительные мощности второго ядра. Программы, написанные с учётом работы в многопоточном режим и способные использовать вычислительные мощности второго ядра, включают в себя множество приложений для обработки музыки и видео. Имея два ядра, Athlon 64 X2 обладает увеличенным количеством транзисторов на кристалле. Процессор Athlon 64 X2 с 1МБ КЭШа 2-го уровня имеет 233.2 миллиона транзисторов [1], в отличие от Athlon 64, имевшего всего 114 миллиона транзисторов [2]. Такие размеры требуют использования для производства более тонкого технологического процесса, который позволяет добиться выхода необходимого количества исправных процессоров с одной кремневой пластины. Athlon 64 X2 построен на ядрах: Toledo; Manchester; Windsor по 90 нм техпроцессу. Совсем недавно компания AMD официально представила свою новую платформу для настольных ПК под кодовым названием AMD Spider.

Основным компонентом данной платформы является процессор линейки AMD Phenom, совместно с чипсетом семейства AMD 7-Series.

Представляя вниманию широкой публике новые технологии, AMD делает акцент именно на платформенном характере инноваций. Ключевым компонентом платформы Spider являются многоядерные процессоры AMD Phenom (вплоть до 4-ядерных), выполненные с соблюдением норм 65 нм техпроцесса и предназначенные для работы с системными платами, оснащёнными разъёмом Socket AM2+. Помимо этого, в состав платформы Spider входит новое поколение чипсетов AMD 7 Series для создания системных плат с поддержкой технологий CrossFireX и AMD OverDrive, а также графика семейства ATI Radeon HD 3800 с поддержкой Microsoft DirectX 10.1.

Если отбросить в сторону многословие пресс-релизов, основной инновацией, реализованной в платформе AMD Spider, можно назвать значительное повышение параметра “производительность на ватт”, главным образом, за счёт энерго-эффективного дизайна 65 нм процессоров AMD Phenom, 65 нм чипсетов AMD 7-Series и 55 нм графических чипов семейства ATI Radeon HD 3800. Наряду с этим, платформа AMD Spider обладает поддержкой ряда специфических технологий экономии энергии: ATI PowerPlay, Cool’n’Quiet 2.0, Microsoft DirectX 10.1, HyperTransport 3.0 и PCI Express 2.0. В частности, технология Cool’n’Quiet 2.0 позволяет снижать энергопотребление процессоров AMD Phenom, обладающих TDP 95 Вт, до средних 32 Вт в бытовых и средних 29 Вт в коммерческих приложениях. В то же время технология AMD CoolCore, реализованная в чипсетах AMD 7-Series, обеспечивает работу ядер процессора на разных частотах и, соответственно, снижение энергопотребления, при этом TDP чипсетов в среднем составляет порядка 10-12 Вт.

Другая инновация платформы AMD Spider – значительная её масштабируемость, беспрецедентная для решений на базе процессоров AMD. Так, системные платы на базе чипсетов AMD 7-Series, благодаря технологии ATI CrossFireX и поддержке до 42 линий PCI Express, обладают возможностью работы с тремя или четырьмя графическими картами ATI Radeon HD 3800. С точки зрения микроархитектуры процессоров AMD, новые чипы 4-ядрные чипы Phenom для настольных ПК, выполненные на базе архитектуры Stars (ядро Agena), являются “ближайшими родственниками” новых 4-ядерных серверных процессоров AMD Opteron на базе ядра Barcelona.

В полной аналогии с ядром Barcelona, архитектура Stars обладает 128-битным контроллером памяти с поддержкой до DDR2-1066, который также обладает возможностью работы в 2-канальном 64-битном режиме для независимого выполнения операций записи и чтения памяти. Физическое адресное пространство при этом увеличилось до 48 бит, а поддержка памяти до 256 Тб.

Каждое из четырёх ядер процессора Phenom обладает собственным 64 Кб собственной кэш-памяти L1 для инструкций и 64 Кб кэш-памяти L1 для данных, что в сумме составляет 512 Кб кэш-памяти L1 на процессор. Суммарный объём кэш-памяти L2 составляет 2 Мб, по 512 Кб на каждое ядро. Помимо этого, архитектуры Barcelona и Stars подразумевают наличие 2 Мб кэш-памяти L3. В отличие от кэш-памяти уровней L1 и L2, эксклюзивных для каждого ядра, кэш-память L3 динамически распределяется между всеми ядрами.

Среди ключевых характеристик, присущих новым 4-ядерным процессорам Phenom, следует отметить следующие ключевые функциональные возможности: Наличие нового планировщика задач с плавающей запятой, теперь поддерживающего 36 новых 128-битных операций Поддержка 128-битных операций SSE, появившихся в дополнение к возможностям прежней 64-битной архитектуры Возможность обработки двух операций SSE и одного SSE переноса за такт Буфер модуля выборки инструкций стал 32 байтным (ранее 16 байт) Модуль предсказания ветвлений с 512-ходовым предсказанием непрямых ветвлений Производительность кэша данных увеличена с одной 64-битной загрузки за такт до одной 128-битной загрузки за такт Производительность кэша данных L2 - контроллера памяти увеличена с 64-битной загрузки на такт до 128-битной загрузки за такт Реализация шины HyperTransport 3.0 позволила увеличить пропускную способность до 20,8 Гб/с Реализация технологии AMD Virtualization Technology с функцией быстрой индексации Rapid Page Indexing

В дополнение также необходимо отметить появление в процессорах Phenom поддержки системы динамического управления тактовой частотой по каждому ядру. Поскольку архитектура не позволяет регулировать напряжение питания каждого ядра в независимом режиме, дополнительное энергосбережение обеспечивается снижением тактовой частоты каждого ядра в режиме простоя.

Согласно информации, полученной от источника из среды тайваньских производителей системных плат, компания AMD на днях известила своих партнеров о намерении начать отгрузку трехъядерных процессоров Phenom X3 (Toliman) уже в феврале 2008 года, а не в марте, как планировалось ранее. Двухъядерные процессоры Kuma появятся только в конце второго квартала будущего года.

Напомним, что первые трехъядерные процессоры, модели 7700 и 7600, будут работать на частотах 2,5 ГГц и 2,3 ГГц, соответственно, тепловыделение моделей установлена в 89 Вт. Тактовые частоты процессоров Kuma, моделей 6250 и 6050, пока не называются, известно лишь, что их TDP будет на уровне 65 Вт.