DEC Alpha

DEC Alpha (cunoscut și ca Alpha AXP ) este un microprocesor de clasă RISC pe 64 de biți , proiectat și fabricat inițial de DEC , care l-a folosit în linia sa de stații de lucru și servere . Microprocesorul a fost creat pentru calculatoarele care au fost planificate să înlocuiască seria VAX și a fost susținut inițial de sistemele de operare VMS și DEC OSF / 1 AXP (redenumit Digital UNIX în 1995 , după achiziționarea DEC de către Compaq , redenumit Tru64 UNIX ). Ulterior a fost portat pe sistemele de operare Linux gratuite și BSD UNIX . Microsoft a produs Windows NT cu suport Alpha până la Windows NT 4.0 SP6, dar suportul a fost renunțat după Windows 2000 Release Candidate 2.

Istorie

Strămoșul direct al arhitecturii Alpha este designul timpuriu al procesorului DEC PRISM RISC rezultatul mai multor design-uri anterioare DEC a comercializat o serie de stații de lucru DECstation folosind procesoare cu arhitectură MIPS , iar procesorul PRISM avea multe asemănări cu MIPS, dar existau o serie de diferențe semnificative: PRISM accepta microcod programabil de utilizator (cunoscut și sub numele de Epicode ). PRISM a fost proiectat cu intenția de a implementa un nou sistem de operare pentru acesta, cunoscut sub numele de Emerald , care să permită rularea atât a programelor native PRISM care foloseau capacitățile complete ale procesorului, cât și, după modificări minore, a programelor existente ale sistemului de operare VMS pentru VAX . arhitectura . Conducerea DEC s-a îndoit de necesitatea dezvoltării unei noi arhitecturi de computer care să înlocuiască familiile existente VAX și DECstation, iar în 1988 proiectul PRISM a fost închis.

Dar până când proiectul a fost închis, a doua generație de procesoare RISC (de exemplu, cu arhitectura SPARC ) a obținut un raport preț/performanță mult mai bun decât seria VAX. Era clar că a treia generație va depăși complet VAX-ul în ceea ce privește performanța, nu doar prețul. A fost lansat un studiu pentru a determina dacă ar putea fi creată o arhitectură RISC care să poată fi utilizată pentru a rula sistemul de operare VMS . Noua dezvoltare a folosit majoritatea conceptelor de bază ale PRISM, dar a fost rafinată pentru a rula OS VMS și programe pentru acesta fără modificări la o viteză acceptabilă. S-a luat decizia de a dezvolta o arhitectură complet pe 64 de biți (arhitectura PRISM era pe 32 de biți). De-a lungul timpului, noua arhitectură a evoluat în ceea ce se numește acum Alpha. Arhitecții setului de instrucțiuni al procesorului Alpha au fost Dick Sites și Rich Witek.

Cea mai mare contribuție a procesoarelor Alpha la industria microprocesoarelor (și principalul motiv pentru performanța lor ridicată) constă nu atât în ​​arhitectura în sine, cât în ​​implementarea sa excelentă. La acea vreme (cum, într-adevăr, acum), proiectarea asistată de computer domina industria microelectronică și se folosea software special pentru cablarea circuitelor care implementau algoritmi ingenioși. Designerii de cipuri de la DEC au fost susținătorii proiectării manuale consumatoare de timp, în special, așa au fost create computerele cu o arhitectură VAX foarte complexă. Procesoarele Alpha au arătat prin exemplu că proiectarea manuală, folosită atunci când lucrați la o arhitectură simplă și transparentă, vă permite să obțineți frecvențe de operare mult mai mari decât utilizarea sistemelor de proiectare asistată de computer. Acest lucru a dus la o renaștere în proiectarea manuală a circuitelor în rândul designerilor de microprocesoare.

Procesoarele Alpha au fost desemnate oficial ca seria DECchip 21x64 , „21” reprezentând secolul 21 și „64” indicând că procesorul era pe 64 de biți, numărul din mijloc indicând generarea arhitecturii Alpha. În interiorul companiei, procesoarele Alpha au fost desemnate prin numere EV , unde EV a fost descifrat oficial ca „VAX extins” (VAX extins), dar a existat o altă decodare, plină de umor - „Electric Vlasic ” („castravete electric”) . 1] pe baza unei publicații pseudoștiințifice comice despre electroluminiscența legumelor [2] .

Primele generații de procesoare Alpha au fost cele mai inovatoare din timpul lor.

Prima versiune, 21064 sau EV4 , a fost primul microprocesor CMOS a cărui frecvență de operare l-a făcut un concurent pentru minicalculatoarele și mainframe-urile care utilizează baza de celule ESL mult mai consumatoare de energie .

A doua generație, 21164 sau EV5 , a fost primul microprocesor care a avut un cache L2 mare pe cip.

Procesorul 21264 ( EV6 ) a fost primul microprocesor care a combinat atât o frecvență de operare înaltă, cât și o microarhitectură complexă de execuție neîntreruptă .

Potrivit unor surse din cadrul DEC, alegerea mărcii AXP pentru procesoare a fost făcută de departamentul juridic al DEC, care se temea de probleme similare cu marca VAX . După o lungă căutare s-a ales numele AXP , deoarece nu a fost ocupat de nimeni. Există o glumă faimoasă în industria computerelor că AXP înseamnă „Almost Exactly PRISM” - aproape exact PRISM.

Lansarea procesoarelor cu arhitectură DEC Alpha a fost întreruptă pe 27 octombrie 2007. [3]

Generații și versiuni

La momentul anunțului procesorului, s-a afirmat că arhitectura acestuia va fi folosită în următorii 25 de ani. Deși acest lucru nu era destinat să devină realitate, totuși, procesoarele Alpha au avut o viață destul de lungă. Prima versiune, Alpha 21064 (cunoscută și sub numele de EV4 ), a fost introdusă în 1992 și a rulat până la 192 MHz, câteva luni mai târziu, după trecerea la un proces tehnologic ceva mai avansat (de la 0,75 microni la 0,675 microni), a fost creată. versiunea EV4S , capabilă să funcționeze la 200 MHz. Procesorul pe 64 de biți a fost pipeline și superscalar ca și alte procesoare RISC, dar totuși le-a depășit pe toate, permițând lui DEC să-l numească cel mai rapid procesor din lume. Elaborarea atentă a circuitelor de procesor (care a fost meritul echipei de proiectare Hudson) și a circuitelor centralizate de alimentare a ceasului au permis procesorului să funcționeze la frecvențe înalte, în ciuda faptului că microarhitectura procesorului era în multe privințe similară cu alte procesoare RISC. Pentru comparație, Intel Pentium mai ieftin a funcționat la 66 MHz, deși a fost lansat în primăvara anului următor.

Procesorul Alpha 21164 ( EV5 ) a devenit disponibil în 1995 și a funcționat la frecvențe de până la 333 MHz. În iulie 1996, frecvența a fost mărită la 500 MHz, iar în martie 1998, la 666 MHz. În plus, 21264 ( EV6 ) a fost lansat în 1998, cu o viteză inițială de ceas de 450 MHz; de-a lungul timpului a crescut la 1,25 GHz (acest lucru a fost făcut la modelele 21264C / EV68CB din 2001 ). În 2003, a fost lansat EV7 Marvel , operând la o frecvență de 1 până la 1,15 GHz și reprezentând nucleul EV68, echipat cu patru canale de schimb interprocesor; lățimea de bandă a fiecărui canal a fost de 1,6 GB / s, ceea ce a făcut posibilă creșterea semnificativă a performanței sistemelor multiprocesor. Aproximativ 500.000 de sisteme bazate pe procesoare Alpha au fost vândute până la sfârșitul anului 2000.

În 1999, producția de procesoare Alpha a fost autorizată de Samsung . Achiziționarea ulterioară a Digital de către Compaq a dus la preluarea în mare parte a producției de produse folosind Alpha de către API NetWorks, Inc , fostă Alpha Processor Inc., o companie privată fondată de Samsung și Compaq. În octombrie 2001, Microway a devenit furnizorul exclusiv al produselor API NetWorks bazate pe Alpha.

Pe 25 iunie 2001, Compaq a anunțat că producția Alpha va fi eliminată treptat până în 2004, iar Alpha va fi înlocuită cu procesoarele Intel Itanium . Acest lucru duce la eliminarea treptată a procesorului EV8 și la vânzarea întregii proprietăți intelectuale legate de Alpha către Intel . Câteva luni mai târziu, HP, noul proprietar al Compaq, anunță că dezvoltarea seriei Alpha va continua încă câțiva ani, inclusiv lansarea unei variante EV7 de 1,3 GHz , numită EV7z . Această versiune, precum și versiunea care trebuia să fie ultima din familia Alpha - EV79 , cu un proces de fabricație de 0,13 microni, au fost, de asemenea, eliminate treptat. HP a continuat să vândă AlphaServere cu sisteme de operare OpenVMS și Tru64 UNIX până la 27 octombrie 2006 și a oferit suport pentru acestea până la sfârșitul anului 2013 [4] .

La mijlocul anului 2003, pe măsură ce Alpha era eliminată treptat, clusterul ASCI Q bazat pe procesoare Alpha [5] s-a clasat pe locul al doilea în lista celor mai rapide computere .

Modele

Extensii de sistem de comandă:

• R:?
• B: BWX, „Byte/Word Extension”, instrucțiuni suplimentare pentru efectuarea operațiunilor pe 8 și 16 biți la accesarea memoriei și a dispozitivelor I/O
• M: MVI, instrucțiuni multimedia
• F: FIX, instrucțiuni pentru conversia numerelor întregi în numere cu virgulă mobilă și luarea rădăcinilor pătrate
• C: CIX, instrucțiuni pentru găsirea și numărarea biților
• T: suport pentru preîncărcarea cu o modificare care vizează îmbunătățirea performanței la primul apel de achiziție a unui semafor.

Sisteme care folosesc Alpha

Prima generație de sisteme bazate pe Alpha a inclus seria DEC 3000 AXP de stații de lucru și servere entry-level, seria de servere mid-range 4000 AXP și seria de servere high-end: DEC 7000 AXP și DEC 10000 AXP.

Seria 3000 AXP a folosit aceeași magistrală TURBOchannel ca și generația anterioară de stații de lucru DEC care foloseau microprocesoare cu arhitectură MIPS . Seria 4000 AXP a folosit magistrala FutureBus+ , în timp ce seriile 7000 AXP și 10000 AXP au folosit arhitectura computerelor VAX din seria 7000 și , respectiv, 10000.

În plus, DEC a produs stații de lucru bazate pe Alpha care erau similare cu computerele personale și foloseau magistrala EISA : DECpc 150 AXP (acest model este cunoscut și ca DEC 2000 AXP). Acestea au fost primele sisteme bazate pe Alpha care au suportat Windows NT . Ulterior, DEC a lansat versiuni Alpha ale seriei Celebris XL și Personal Workstation PC, echipându-le cu procesoare 21164.

Procesoarele 21066 și 21068 au fost utilizate în stațiile de lucru compacte DEC Multia VX40/41/42.

În 1994, DEC a lansat o nouă linie de sisteme AlphaStation și AlphaServer care foloseau procesoarele 21064 și 21164, o magistrală PCI , un framebuffer compatibil VGA și o tastatură și un mouse compatibil PS/2 . Seria de servere AlphaServer 8000, care a înlocuit DEC 7000/10000 AXP, folosea autobuze XMI și FutureBus+.

Stațiile de lucru AlphaStation XP1000 au fost primele care au folosit procesorul 21264. Ulterior, modelele AlphaServer/Station care au folosit procesorul 21264 au fost împărțite în următoarele familii:

• DS (server departamental)
• ES (server de întreprindere)
• GS (server global)

Procesorul 21364 a fost utilizat în modelele AlphaServer ES47, ES80 și GS1280.

O serie de plăci de bază OEM pentru Alpha au fost produse de DEC, Samsung și Alpha Processor Inc. , inclusiv EB64+, EB164, API UP1000 și UP2000.

Cray Research a folosit procesoarele 21064 și 21164 în supercalculatoarele lor Cray T3D și , respectiv, Cray T3E masiv paralele .

Procesoarele 21164 și 21264 au fost utilizate de Network Appliance în sistemele Network Attached Storage .

Impactul asupra industriei

Procesorul Alpha și conceptele sale au influențat direct sau indirect proiectarea altor procesoare și dezvoltarea industriei în ansamblu.

Procesorul original AMD Athlon a folosit o magistrală dezvoltată inițial pentru Alpha. Procesorul AMD Opteron folosește magistrala inter-procesor HyperTransport de mare viteză și controlerul de memorie integrat  , tehnologii similare cu cele lansate de Alpha. Dirk Meyer, inginer șef procesor la AMD, lucra la Alpha.

Tehnologia HyperThreading folosită în procesoarele moderne Intel pentru servere și desktop , care permite procesorului să rezolve mai multe sarcini în același timp, a fost inspirată de cercetările în domeniul multithreadingului efectuate de echipa Alpha la DEC în anii 1990. Peste 300 de ingineri Alpha s-au mutat de la HP la Intel, majoritatea lucrând acum la procesorul Itanium 2 .

Modelul de memorie folosit în procesor a fost cel mai moale dintre toate cele existente: fără bariere suplimentare, ordinea de vizibilitate a executării comenzilor de către un alt fir a fost încălcată. În practică, aceasta s-a dovedit a fi o soluție foarte nefericită, deoarece reordonarea operațiunilor și efectele asociate stocării în cache au condus la un comportament intuitiv pe sistemele multiprocesor. [6] Deși a fost posibil să se scrie programe corecte [7] , a necesitat un efort suplimentar semnificativ în scrierea compilatoarelor și a programelor multithreaded. Din acest motiv, ulterior, o astfel de soluție arhitecturală a fost abandonată și nu a mai fost folosită nicăieri.

Note

1. ↑ EV-4 (1992)  (engleză)  (link inaccesibil) . Proiectul de simulare a istoriei computerului. - Caracteristicile și istoricul EV-4 - primul procesor Alpha lansat oficial. Consultat la 11 aprilie 2009. Arhivat din original pe 14 februarie 2012.
2. ↑ Characterization of Organic Illumination Systems  (engleză) (PDF)  (link nu este disponibil) (aprilie 1989). — O publicație pseudoștiințifică comică despre electroluminiscența legumelor. Consultat la 11 aprilie 2009. Arhivat din original pe 14 februarie 2012.
3. ↑ Transformarea mediului AlphaServer Arhivat 8 februarie 2007.
4. ↑ HP va oferi acum servicii (întreținere, reparații și consiliere) pentru toate sistemele Alpha care vând în prezent timp de cel puțin cinci ani de la ultima livrare a sistemului nou, (sau cel puțin până în 2013) Arhivat la 18 iulie 2007.
5. ↑ TOP 10 Site-uri pentru iunie 2003 . Consultat la 14 octombrie 2013. Arhivat din original la 16 octombrie 2013. (nedefinit)
6. ↑ Reordonare pe un procesor Alpha . Preluat la 31 martie 2016. Arhivat din original la 15 martie 2016. (nedefinit)
7. ↑ LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS (a se vedea secțiunea DATA DEPENDENCY BARRIERS) . Data accesului: 31 martie 2016. Arhivat din original pe 22 martie 2016. (nedefinit)

Literatură

• Korneev VV, Kiselev AV Microprocesoare moderne. Ed. a III-a - Sankt Petersburg: BHV-Petersburg, 2003. - 448 p.: ill. ISBN 5-94157-385-5

Link -uri

Site-uri de știri AlphaServer

• Tru64.org  Tru64 UNIX pe Alpha
• OpenVMS.org Arhivat pe 21 martie 2015 la Wayback Machine  OpenVMS pe Alpha

Documentație tehnică de bază

•  Jurnal Tehnic Digital, Volumul 4, Numărul 4 , Număr Special 1992 Alpha AXP Architecture and Systems
• Arhivă software și documentație

Poveste

•  Alpha : Istoria în fapte și comentarii
• Alpha: istorie în fapte și comentarii  (rusă) , autor al articolelor Pavel Bolotov

Sistem de operare Porturi BSD pentru procesoarele din familia DEC/Compaq Alpha

• Port NetBSD pentru  Alpha
• Port OpenBSD pentru  Alpha
•  Proiectul FreeBSD/alpha

distribuții GNU/Linux

•  Informații despre rularea Linux pe procesorul DEC/Compaq Alpha
• Debian GNU/Linux pe sisteme Alpha  (rusă)
• Ghid de instalare Debian GNU/Linux pe Alpha  (rusă)
• Manual Gentoo Linux Alpha  (rusă)