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跨世纪的RISC微处理器林钟官 |
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RISC技术是80年代针对传统CISC结构发展中的弊病,在体系结构设计上作了重大革新 的一种精减指令集结构设计技术。RISC比CISC有明显的结构优势。 80年代这两种技术并存,但是以x86系列为代表的CISC微处理器几乎是一统天下。90 年代,两者展开了激烈的竞争,虽然两者均取得了新的突破,但是RISC更显示出其强大的生 命力。世界各大计算机和半导体厂家都竞相开发RISC芯片。各公司推出的最新RISC芯片 如下表。 @@0062500.GIF;表1 最新高速RISC芯片@@ 一、Alpha 21264 Alpha 21264微处理器是DEC公司的第三代Alpha芯片,也是DEC公司面向21世纪计算机 领域的一项最新的产品,时钟频率达到600MHz,CPU在每个时钟周期内能并行处理6条指令 ,性能达到40 SPECint95和60 SPECfp95,代表了当今微处理器领域中的最高水平,计划于 今年第4季度投放市场。 Alpha 21264能获得如此高的性能是因为它在芯片微结构上作了较大改进,集成了较 大的片上高速缓存(64KB指令高速缓存和64KB数据高速缓存),4个整数执行部件和2个浮点 执行部件均采用4路无序执行技术;增加了高带宽系统接口,使数据高速缓存的通路传送速 度达到5.3GB/s,主存到CPU的数据传送速度达到2.6GB/s;增加了大量的指令,运用了双队 列无序执行的寄存器更名;采用了4条整数流水线和2条浮点流水线,在进程中有41个整数 寄存器和41个浮点寄存器可用;采用了群集式整数部件,对大多数指令来说,每个周期可执 行4条整数指令,最多可执行6条指令。 为了支持处理器的无序执行,总线接口部件可处理多达16个片外未决的存储器访问。 第二级高速缓存可以使用带有专用收发器 /接收器环路的高速SRAM或标准Pentium类的 PB-SRAM。 Alpha 21264还配备了专用多媒体指令,可支持MPEGⅡ编码,其中视频编码指令类似于 SunUltra SPARC处理器中的可视化指令集(VIS)。Alpha 21264芯片上还集成了一个高精 度锁相环(PLL)电路,允许用户使用100MHz～125MHz的外部时钟频率。通过软件控制,用户 可以调整PLL的倍增系数,从而降低整个芯片的功耗。 二、PowerPC的未来 自1991年IBM、Motorola和Apple成立PowrPC联盟以来,该联盟的处理器性能/价格比 大约为Intel x86处理器的2倍。但是,该联盟无法抢占x86处理器所占有的压倒优势的市 场,反而刺激了Intel加速开发步伐,以增强其x86处理器的竞争能力,使PowerPC不断面临 新挑战。 对此,该联盟认识到1998年PowerPC的速度必须达到300MHz,或开发出速度更快的新一 代PowerPC芯片,并保持与目前的PowerPC软件兼容,才能使PowerPC保有与x86竞争的能力 。为此,PowerPC联盟使用了与以往不同的开发策略,也就是新一代PowerPC的开发都应与 其前一代产品有时间上的重叠,而且签定了扩充该联盟的实验室和共享合作开发成果的协 议。 PowerPC联盟计划于1997年开始陆续推出G3、G4和2K三代新系列的芯片,以更高的时 钟速度将PowerPC处理器系列带入21世纪。 1.G3系列 G3系列预定于1997年年底推出。该系列的第一个CPU已有样片供应。该联盟计划将使 用0.25μm CMOS工艺,预计速度最高的G3芯片将比第一代PowerPC 601芯片快10倍。 G3系列除了32位的处理器之处,还将含有以PowerPC 602为基础的64位处理器。G3系 列的芯片将采用620所使用的128位后备总线作为其第2级高速缓存的定址,而且可能会综 合第2级高速缓存控制器,制成多芯片模块,或者在芯片上集成第2级高速缓存(类似Alpha 芯片)。 G3系列将在未来芯片上集成3000万个晶体管,几乎比现有的Alpha 21264芯片多一倍 。 2.G4系列 IBM公司和Motorola公司计划于1999年发布G4系列芯片,其时钟频率将首次达到500M Hz,使用0.25μm CMOS工艺制作。G4系列的后期芯片将逐渐使用0.18μm CMOS工艺,时钟 频率达到1GHz,芯片集成的晶体管数达到5000万个,其中所增加的大部分晶体管将用于扩 大高速缓存,而非逻辑电路。 G4系列芯片除了少数为32位字长外,大多数为64位字长结构。所以用户在操作系统和 应用软件厂商推出64位软件版本之前,可能无法体会到64位芯片结构的优点。Motorola公 司表示,即使是32位的G4系列处理器,也将与Intel 64位Merced(P7)的速度相当。此外,I BM和Motorola都表示,从32位到64位的转换处理将会比IA-64容易。 3.2K系列 2K系列是IBM和Motorola计划于2000年或2001年推出的第五代PowerPC芯片。据说该 芯片将使用0.18μm CMOS工艺制作,而且后期将会使用0.15μm或更精细的工艺。届时芯 片上集成的晶体管数将达到上亿个,时钟频率将超过1GHz。由于芯片结构上的改进,预计 将会达到比目前处理器的速度快10倍的芯片。 三、MIPS系列的未来开发计划 美国SGI公司最近向外界宣布了一项MIPS芯片系列的未来开发计划,揭开了该公司目 前正在进行的三个递进系列的64位微处理器的开发,即MIPS R12000微处理器,以及其后继 的被命名为H1和H2的新一代微处理器。 1.R12000 R12000是R10000系列的扩充,并在结构上作了显著的改进,以确保性能的提高。它与 目前R系列微处理器的指令集和Socket保持兼容。R12000的时钟频率将达到300MHz以上, 可无序执行的指令数目将从32条增加到48条。增加了一个32位表目、双向的高速缓存;高 速缓存中分支预测表的大小增加了3倍,并通过无序执行和一条Split-transaction总线方 式结合,减少停顿和存储器延迟的影响,允许处理器动态地对指令重新排序和执行,使性能 得到大幅度的提高。据称R12000微处理器将于1998年上半年投入批量生产。 2.H1和H2 H1和H2将采用全新的体系结构,将首次采用MIPS V指令集(与现有的MIPS IV指令集保 持兼容)。MIPS V指令集可提高三维几何处理、石油天然气及制造业等应用程序运行速度 。为了最快地运行诸如图形处理、实时视频压缩和解压缩,以及专业创作和集成等数字媒 体应用程序,H1将支持MIPS数字媒体扩展指令(MDMX)——一个特定应用程序的扩展。 SGI公司认为,依靠提高CPU的时钟频率固然可以在一定程度上提高CPU的性能,但存储 器带宽和存储器延迟也是微处理器设计中至关重要的问题。据说,在H1和H2的设计中,SG I公司将充分利用提高内部存储器带宽的技术来提高H1和H2的性能。届时其存储器带宽将 达到5GB/S,是现有微处理器的6～10倍,预计将有效地消除CPU和存储器之间的瓶颈,以保 证CPU能快速传送和处理越来越复杂的数据类型,适合于运行大规模的商业应用程序和专 用的应用程序。H1计划于1999年上半年投入批量生产,更高速的H1将在2000年上市。 H2是专门为世界上绝大多数技术和商业计算应用程序设计的。SGI系列H2在单个和多 个处理器环境中快速传送大量数据经验的基础上,集成了存储器接口,使得处理器和系统 设计之间的传统界限变得模糊。H2保持了代码和指令集与R系列的兼容性。预计它可在桌 面系统中驱动大规模可扩展服务器类型的机器。 四、PA-8500 PA-8500微处理器是HP公司于1997年2月发布的PA-RISC微处理器系列中功能最强的一 种芯片,是一种具有多处理能力的64位可扩展的超级芯片。它采用0.25μmCMOS工艺制作 ,集成了1.2亿支晶体管,首次突破了存储容量壁垒,在芯片上集成了1.5MB的高速缓存(其 中0.5MB指令高速缓存,1MB数据高速缓存),相当于其它同级别微处理器的5倍,从而显著提 高了时钟频率,减少了执行每条指令的周期。这不仅使其性能在处理器市场上独占鳌头, 而且由于不需要紧密耦合的第二级高速缓存,大大降低了使用PA-8500芯片的系统造价。 PA-8500芯片在设计中保持与PA-8000及PA-8200的应用程序完全二进制兼容,以保护软件 开发商和广大用户在PA-RISC系列前期产品上的投资。 PA-8500在芯片结构上对先前的PA-RISC结构作了较大的改进。它采用了大量的功能 部件、双口数据高速缓存和指令无序执行部件,有效地开拓了指令级并行性。此外,芯片 上的高速缓存采用了SRAM技术,并采用静态和动态组合的分支预测技术,改进分支预测部 件,提高了分支预测的灵活性和准确度。指令高速缓存采用4路组相关的流水线高速缓存 ,每个周期向指令预取部件提供128位指令和预译码位。对于大多数工作负载来说,其组相 关高速缓存的命中率比同样大小的直接映射高速缓存高,因为它可以使用多个存储单元来 存储给定的数据部分。转换后援缓冲器(TLB)的大小从PA-8200的120条目增加到160条目 ,并采用了支持较高性能的系统总线和图形带宽。 HP公司原计划开发PA-8500的后继处理器PA-9000,但现已宣布终止计划,而从Intel公 司购买Merced(原名P7)微处理器。Merced是HP公司和Intel公司于1994年开始联合开发, 计划于1998年推出的新一代产品。这种未来的Intel/HP结构将对今后两年PC的发展产生 重大影响。 |
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