МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ














РЕФЕРАТ

По дисциплине Информатика и компьютерная техника

На тему: Процессор AMD. История развития.

Выполнил:

Студент 2-го курса ФИТИС

Группа ЕК-08

Кондратенко В. В.

ЧЕРКАССЫ

2001

О б AMD

AMD - мировой поставщик интегральных микросхем для рынка персональных и сетевых компьютеров и коммуникаций, чьи производственные мощности расположены в Соединенных Штатах, Европе, Японии и Азии. AMD производит микропроцессоры, устройства флэш-памяти и вспомогательные микросхемы для коммуникационных и сетевых приложений. Компания AMD, основанная в 1969 году со штаб-квартирой в г. Саннивейл (шт. Калифорния), в 2000 году имела оборот 4,6 млрд. долл. (NYSE: AMD).

Первым процессором, который AMD разрабатывала самостоятельно, был K5, выпущенный в 1996 году. Сейчас о нем уже мало кто помнит, правда и помнить там особо нечего. Как всегда, опоздав с выпуском этого кристалла, отставая по тактовой частоте и производительности, AMD не смогла тогда завоевать расположения пользователей.

После этого провала AMD приобрела забытую сейчас фирму NexGen, еще одного независимого разработчика x86 процессоров, который обладал передовой на то время технологией и в небольших количествах выпускал кристаллы без арифметического сопроцессора. Используя эти наработки, AMD спроектировала новое поколение своих CPU - K6. По операциям с целыми числами эти процессоры стали превосходить аналоги от Intel, однако блок операций с плавающей точкой все еще оставлял желать лучшего.

AMD не сдавалась и для нужд компьютерных игр предложила использовать не сопроцессор, а специально спроектированный набор SIMD-инструкций 3DNow!. Так появился процессор AMD K6-2, в котором к обычному ядру K6 добавился еще один блок операций с числами одинарной точности с плавающей точкой. Благодаря тому, что он мог выполнять однотипные вычисления с четырьмя парами операндов одновременно, на специально оптимизированных под 3DNow! приложениях K6-2 показывал неплохую производительность.

В скоре AMD к своему процессору K6-2 добавила интегрированный в ядро кеш второго уровня, работающий на частоте кристалла. Это спасло производительность - полученный K6-III мог успешно конкурировать с аналогами.

Находясь в состоянии ценовой войны, Intel и AMD пришли к тому, что самые дешевые Intel Celeron продаются практически по себестоимости, если не ниже, а на рынке дорогих процессоров обосновался другой продукт от Intel - Pentium III. Единственный оставшийся шанс выжить для измотанной и порастерявшей в борьбе свои капиталы AMD - вылезти на рынок дорогих и производительных процессоров. Причем, закрепиться на нем не за счет цены - этим оружием в совершенстве владеет Intel, который может сбрасывать цены значительно сильнее AMD, а за счет быстродействия. Именно это и попыталась сделать AMD, выбросив на рынок процессор нового поколения - Athlon.

Развитие семейства K-6

AMD K6

Clock speeds (MHz) 166, 200, 233

Level one (L1) cache 32K instruction, 32K data

Level two (L2) cache Controlled by chip set

L2 cache speed Same as bus

Type of bus Socket 7

Bus speed (MHz) 66

Instructions per clock cycle 2

MMX units 1

Pipelined FPU N

Out-of-order execution Y

Process technology 0.35µ CMOS

Die size 162 mm2

Transistors 8.8 million

AMD K6-2

Э тот процессор является логическим продолжением линейки K6 и отличается от предшественника только добавленним в ядро нового модуля, обрабатывающего "3D-инструкции" и носящего название 3DNow!. По сути - это еще один сопроцессор по типу MMX, но умеющий выполнять 21 новую инструкцию. Эти новые инструкции призваны, прежде всего, ускорить обработку данных, связанных с трехмерной графикой. Поэтому в набор инструкций 3DNow! включены команды, работающие с вещественночисленными аргументами одинарной точности. Именно поэтому, технология ММХ не пошла в жизнь - ММХ работает с целыми числами, а при расчете трехмерных сцен оперировать приходится с вещественными. Как и ММХ, 3DNow! использует те же регистры, что и сопроцессор, это связано с тем, что операционные системы должны сохранять и сбрасывать все регистры процессора при переключении задач.

Теоретически, 3DNow! должен заменить сопроцессор при расчетах трехмерной геометрии и существенно ускорить выполнение этих вычислений. Модуль 3DNow! может выполнять до четырех SIMD (Single Instruction Multiple Data) инструкций (из своего 21-командного набора) параллельно, что при грамотном использовании может дать небывалый прирост производительности. Хорошей иллюстрацией этого тезиса может послужить Quake2, работающий на процессорах K6 в полтора раза медленней, чем на Pentium той же частоты. Однако, вопреки распространенному мнению, это связано не с тормознутостью AMD-шного сопроцессора, а с тем что Intel реализовал в своем кристалле возможность параллельной работы процессора с арифметическим сопроцессором. В Quake2, код оптимизирован с учетом этой особенности, поэтому если процессорные и сопроцессорные инструкции не могут выполняться одновременно (как на AMD K6), производительность получается крайне низкая. K6-2 должен решить эту проблему, но другим путем - за счет конвейеризации 3D вычислений в модуле 3DNow! Однако, вопрос распараллеливания вычислений должен решаться программистом, что вызывает определенные трудности при реализации алгоритмов, тем более, что процесс вычисления геометрии 3D-сцен далеко не линейный. Поэтому, теоретическая производительность К6-2, значительно превышающая скорость всех современных PII-процессоров, достигнута быть не может.

Таким образом, чтобы от 3DNow! был хоть какой-то эффект, необходимо, чтобы приложение использовало те самые 21 инструкцию. Причем не как-нибудь, а с учетом конвейерной структуры этого модуля процессора.

AMD K6-2 3DNow!

AMD вновь надеется сократить отрыв от Intel'а, на этот раз с помощью технологий высокого уровня и заточенных под процессор 3D драйверов. Названная "K6-2 3DNow!", эта серия процессоров должна разбить иллюзию, что пользователи должны покупать процессоры Intel Pentium II для достижения максимально возможного 3D быстродействия.

Выйдя в 300 и 333Мгц версиях, линия K6-2 содержит некоторые улучшения, по сравнению с уже знакомой пользователям линии K6. Улучшенный сопроцессор, более высокие скорости работы ядра, поддержка 100Мгц кэша 2 уровня, и набор инструкций, известный как 3Dnow!, - вот качества, вознесшие K6-2 на вершину предлагаемых AMD процессоров.

3DNow!, говоря человеческим языком, - это улучшенный процесс вычислений, ускоряющий обсчитывание сцены для 3D графики. Cyrellis уже раньше упоминал, что одним из главных препятствий для ускорителей 3D графики является конфликт между медленным созданием сцены типичным процессором Intel/AMD и возможностями родного процессора 3D карты. Видеокарта должна дождаться, пока CPU завершит свою работу, и только тогда ее 3D-процессор будет в состоянии выжать требуемое нам количество кадров в секунду. 3DNow! обещает изменить такое положение вещей, проносясь сквозь генерацию сцены на максимальной скорости, тем самым значительно повышая производительность.

Вот как это выглядит:

Как вы видите, процессор загружен работой, даже если 3D-ускоритель берет на себя генерацию треугольников, как например это делает чипсет Voodoo2.

Технология 3DNow!

Технология 3DNow!, предложенная AMD в своем новом процессоре K6-2 (кодовое имя было K6 3D), представляет собой развитие применяемой повсеместно технологии MMX. MMX - это дополнительные 57 инструкций процессора и 8 дополнительных регистров, которые призваны увеличить производительность мультимедийных приложений. Если программа использует эти возможности, то это вносит немалый вклад в скорость ее выполнения. MMX была введена в процессорах фирмы Intel, но к настоящему моменту все x86-процессоры, включая AMD, IDT и Cyrix, поддерживают ее. Однако, несмотря на повсеместную поддержку, MMX используется недостаточным числом приложений, поэтому преимущества от наличия поддержки MMX пока невелики.

После внедрения MMX, инициатива по внедрению новых инструкций неожиданно перешла к AMD. Правда, в ответ на этот шаг, Intel анонсировал набор команд MMX2, который появился в процессоре Katmai. Дополнительная система команд от AMD, названная 3DNow! (кодовое имя было AMD-3D Technology), представляет собой набор инструкций для ускорения операций трехмерной графики. Этот набор включает, в частности, быстрое деление вещественных чисел, выполняемое за 3 такта процессора, и вычисление обратной величины к квадратному корню, выполняемое также за 3 такта. По мнению AMD, использование в 3D-играх технологии 3DNow! позволит 300-мегагерцовому K6-2 догнать по производительности Pentium II 400 МГц.

AMD K6-III

В след за выходом очередного процессора от Intel, Pentium III, появилась новинка и от AMD - процессор K6-III. Этот процессор должен был позволить AMD подняться из ниши дешевых систем и начать конкуренцию с Intel на рынке более дорогих машин, подготавливая почву для нанесения решающего удара по позициям микропроцессорного гиганта блокбастером K7. Долгое ожидание, чтение спецификаций и первые впечатления от AMD K6-III давали все основания для того, чтобы надеяться на то, что позиции Intel пошатнутся. Но, традиционно, AMD выступает в роли догоняющего, а для победы в этом случае, согласно военной тактике, требуется немалое превосходство в силе. Но, тем не менее, новый раунд сражения AMD против Intel, Socket7 против Slot1, Давид против Голиафа, начался.

Вот технические данные процессора AMD K6-III:

• Чип, производимый по технологии 0.25 мкм;

• Ядро CXT, представляющее собой обычное ядро K6-2 с возможностью пакетной записи;

• Работает в Socket-7-системных платах, но требует обновления BIOS;

• Кэш первого уровня - 64 Кбайта, по 32 Кбайта на код и данные;

• Имеет встроенный кэш второго уровня объемом 256 Кбайт;

• Кэш материнской платы работает как кэш третьего уровня;

• Напряжение питания 2.3-2.5В (есть разные партии);

• Набор из 21 SIMD-команды 3DNow! Имеется 2 конвейера, оперирующие с двумя парами вещественных чисел одинарной точности;

• Частоты - 350, 400, 450 и 475 МГц. Системная шина 100 МГц (для модели 475 МГц - 95 МГц). Возможна работа и на 66МГц системной шине;

• 3DNow! поддерживается в DirectX 6.0 и выше.

Как видно из спецификации, AMD K6-III - это AMD K6-2 плюс 256 Кбайт кэша второго уровня, интегрированного в ядро и работающего на его частоте. Помня, какие чудеса производительности показывает Intel Celeron, от AMD K6-III ожидается также немалый прирост в быстродействии, тем более, что шина памяти - главное узкое место в системе, хоть она и работает на частоте 100 МГц. К тому же L2 кэш e К6-III имеет размер в два раза больший, чем у Celeron и в два раза более быстрый (хотя и вдвое меньший), чем у Pentium II. Не следует к тому же забывать и про кэш, установленный на материнской плате - он становится кэшем третьего уровня и добавляет еще несколько процентов производительности.

Надо уделить внимание и еще одному факту, а именно буквам CXT в названии ядра. Это ядро появилось в процессорах K6-2 совсем недавно и отличается от предшествующего наличием функции пакетной записи в память Write Allocate. То есть, новое ядро позволяет передавать данные по шине не как придется, а по мере накопления 8-ми байтовыми пакетами, что дает небольшой выигрыш в производительности при передаче данных по 64-битной шине. Правда, новой эту функцию назвать нельзя, так как Write Allocate имеется и в интеловских процессорах еще со времен Pentium Pro.

Что касается 3DNow!, то тут по сравнению K6-2 все осталось совсем без изменений. Однако, надо констатировать, что приложений использующих эту технологию на рынке не много, а поддержка 3DNow! в драйверах видеокарт и DirectX не дает практически ничего. Также как и в случае с SSE, для получения значимого прироста в быстродействии, необходимо использование SIMD-инструкций при расчете геометрии 3D-сцены, так как функции, оптимизированные в DirectX работают недостаточно быстро и не используются разработчиками.

Отметим тот факт, что для поддержки новых K6-III подойдут и старые Socket7 системные платы, для которых есть BIOS с поддержкой ядра CXT и имеющие возможность выставления напряжения питания ядра 2.3-2.5В. Однако, если в руководстве к системной плате не указан способ выставления этих напряжений, отчаиваться рано. В большинстве случаев существуют недокументированные установки для такого напряжения питания.

AMD K7

К 7 - первый из семейства микропроцессоров х86 7-го поколения, в котором присутствуют конструктивные решения, до сих пор не применявшиеся в процессорах архитектуры х86 и сулящие выигрыш в быстродействии даже при одинаковых тактовых частотах. Наиболее впечатляющим из них является, конечно, 200-мегагерцовая системная шина, однако есть и другие, менее заметные на первый взгляд новшества, ставящие К7 выше процессоров 6-го поколения.

• Новая архитектура узла вычислений с плавающей точкой (fpu). К7 содержит 3 узла вычислений с плавающей точкой (fpu), любой из которых способен принимать на вход инструкции каждый такт работы процессора. При этом один узел предназначен исключительно для выполнения команды FSTORE! Назначение этого узла - обеспечивать обмен между регистрами и памятью в то время, как процессор выполняет другие инструкции. Такой подход, хотя и не повышает пиковую производительность, позволяет достичь более высокой средней производительности, что во многих случаях важнее. Остальные два fpu состоят из блока сложения (adder) и блока умножения (multiplier). Оба блока используют конвейеры (fully pipelined). Архитектура каждого fpu такова, что он может принимать на вход каждый такт одну инструкцию сложения и одну умножения, что дает пиковую производительность 1000MFLOPS при 500МГц. Ближайшим аналогом с точки зрения архитектуры является Pentium II, у которого также присутствуют adder и multiplier. Однако существуют два основных отличия. Во-первых, у PII только adder является полностью конвейеризованным (fully pipelined), multiplier же может принимать инструкцию на вход только каждый второй такт. Во-вторых, каждый узел fpu PII может принимать только одну инструкцию за такт, таким образом, пиковая производительность составляет 500MFLOPS при 500МГц. Вышесказанное ни в коем случае не является нападками на достойную архитектуру семейства Р6, которое до сих пор остается единственным семейством процессоров с конвейерным fpu. Да, чуть не забыл... Rise mP6, возможно, будет иметь архитектуру fpu, похожую на ту, что используется в К7 (как во всем, что связано с компанией Rise, здесь полно тумана, но компания уверенно заявляет, что fpu их процессора способен выполнять 2 инструкции х87 за такт), однако максимальная тактовая частота в 200МГц не позволяет этому процессору претендовать на место не только в "высшем обществе", но даже и в "среднем классе", поэтому сравнивать mP6 с К7 некорректно.

• Огромный кэш L1. Если помните, Pentium MMX-166 показывал такую же производительность на приложениях, не использующих инструкции ММХ, как и классический Pentium-200. В чем причина? А причина в том, что чип ММХ имел в 2 раза больше кэша L1 (32К против 16К). Это также объясняет, почему К6-200 приблизительно равен по производительности Pentium MMX-233 - он имеет 64К кэша. К чему это я? К тому, что в К7 кэш L1 увеличился еще в 2 раза - до 128К. Это еще не гарантирует эффективного роста производительности процессора с увеличением тактовой частоты, но, по крайней мере, устраняет опасность простоя, из-за обмена с памятью.

• Модернизируемый кэш L2. У К7 кэш L2 будет размещен, по примеру PII, в картридже, а не интегрирован в кристалл, как у К6-3. Результатом этого является возможность "модернизации" кэша. Первоначально его частота будет составлять 1/3 частоты процессора. В дальнейшем планируется выпуск версий с кэшем L2, работающим на частоте процессора, и, возможно, на половинной частоте. То же и с размером. К7 может нести кэш L2 размером от 512К в "нижних" моделях до 8МВ в серверных моделях "high-end" (впечатляюще, Xeon на сегодня имеет до 2МВ, но цена...).