Alpha-процессоры и системы на них

Уверен, что при упоминании систем на базе Alpha-процессоров у абсолютного большинства компьютерных гениев увеличится температура, участится пульс и повысится слюноотделение. Почему?

Ты наверняка слышал про Alpha-процессоры. Думал об их крутизне и недосягаемости для простого юзера. Уверяю тебя, это не совсем так!

Процессор Alpha - настоящий 64-разрядный RISC-процессор. Область его применения широка, однако общие черты задач, в которых он себя хорошо зарекомендовал, таковы: масштабируемость, быстрота ответной реакции, трудоемкость, обеспечение надежности.

Уникальная архитектура позволяет ему быть первым по многим параметрам. Процессор Alpha имеет и другие отличия от остальных RISC-процессоров. Например, у него сильный блок операций с фиксированной точкой, что обычно является ограничением для архитектуры RISC.

Alpha-процессор с самого начала разрабатывался в качестве истинного 64-разрядного RISC-процессора. Одно из основных преимуществ 64-разрядной архитектуры - более широкое адресное пространство, а это сказывается на объеме поддерживаемой оперативной памяти и на размере непосредственно адресуемого раздела на жестком диске. На его кристалле размещается более девяти миллионов транзисторов (из которых почти 2 миллиона приходится на ядро, остальные - на кэш-память). Среди уникальных особенностей этой архитектуры стоит отметить девятиступенчатый конвейер для операций с плавающей точкой и семиступенчатый конвейер для операций с фиксированной точкой.

К эксклюзивным ноу-хау стоит отнести и организацию кэша. Он организован следующим образом: кэш первого уровня имеет размер шестнадцать килобайт и работает по технологии прямого отображения (по восемь килобайт для команд и данных). Кэш второго уровня имеет следующие особенности: трехканальный, частично ассоциативный, размещен на кристалле и имеет размер девяносто шесть килобайт. Процессор имеет поддержку кэш-памяти третьего уровня (от одного до шестидесяти четырех мегабайт).

Кроме того, стоит отметить 128-битную шину доступа к памяти, 32 целочисленных регистра и 32 регистра с плавающей точкой. Все операции над данными производятся в регистрах; команды процессора - 32-битные, достаточно простые и имеют унифицированный формат. Доступ к кэш-памяти первого уровня происходит всего за один такт, второго уровня - как минимум за два. Кстати, за один такт процессор может выполнять до четырех команд. Кроме того, некоторые оригинальные решения позволили очень эффективно использовать конвейеры, что дало возможность практически убрать простои из-за отсутствия операндов. Не устал еще от перечислений? :)

Аббревиатура RISC (Reduced Instruction Set Computer) появилась в середине 80-х годов XX века, когда ученые из Беркли сообщили о создании "компьютера с ограниченным набором команд". Именно в те времена произошло великое разделение, и остальные компьютеры стали называть CISC (Complete Instruction Set Computer - компьютеры со сложным (расширенным) набором команд). Так, к CISC-процессорам относятся Intel 80x86 и Pentium, Motorola MC680x0, DEC VAX. Класс RISC-процессоров составляют такие монстры как Alpha, Sun, Ultra SPARC, MIPS, PowerPC и некоторые другие.

RISC-процессоры характеризуются следующими особенностями:

- удалены сложные и редко используемые инструкции;

- все инструкции имеют одинаковую длину, что позволяет уменьшить сложность управления процессором и увеличить скорость обработки команд;

- отсутствуют инструкции, работающие с памятью напрямую, все данные загружаются только из памяти в регистр и наоборот;

- отсутствуют операции работы со стеком;

- применение конвейера параллельных вычислений;

- большинство операций производятся за один такт микропроцессора.

Тактовая частота RISC-процессоров (при прочих равных условиях) выше CISC-процессоров, более того, в RISC - микропроцессорах появилась возможность работы различных его составляющих на разных тактовых частотах. Поэтому при указании тактовой частоты процессора выбирают его максимальную частоту.

Аббревиатура CISC означает Complete Instruction Set Computer – компьютер со сложным (полным) набором команд. Несмотря на то, что первый CISC-процессор был разработан компанией IBM (она до сих пор их использует в мейнфреймах типа IBM ES/9000), лидером производства считается компания Intel. CISC отличается малым количеством регистров общего назначения, большим количеством машинных команд (откуда следует и название). Это приводит к усложнению декодирования инструкций, что в свою очередь приводит к расходованию аппаратных ресурсов. Слабость CISC архитектуры заключается в том, что 80 процентов вычислений процессора приходилось на 20 процентов команд. Хоть в RISC процессорах как раз и используются только 20 процентов этих команд, но им требуется сложное программное обеспечение.

Alpha-системы применяются во многих областях, однако наиболее эффективно применение систем на базе Alpha-процессора для решения задач, требующих высокой производительности и надежности, например:

* UNIX или Windows NT серверы;

* Расчетные серверы (компиляция исходных кодов для разрабатываемых программных комплексов на различных языках программирования);

* Серверы баз данных (начиная от Oracle и заканчивая распространенными mysql и posgres);

* Интернет www или ftp серверы;

* Прокcи и Firewall серверы;

* Станции обработки данных для геоинформационных систем;

* CAD/CAM станции;

* Станции издательских систем;

* 3D станции;

* отказоустойчивые корпоративные серверы.

Так все начиналось...

Во времена, когда 80286 был крутым и навороченным процессором, а появление 32-разрядного 80386 от Intel, способного выполнить более 5 миллионов операций в секунду (MIPS), потрясало воображение самых продвинутых перцев, мыслители из корпорации DEC (Digital Equipment Corporation) задумали разработать совершенно новую, устойчивую и вообще всю-из-себя-идеальную архитектуру процессора. Свой проект они назвали Alpha. Буквально через 3 года, в 1992 году DEC представила 64-разрядную RISC-архитектуру Alpha, которую отличали высокая тактовая частота, возможность множественной обработки инструкций и многопроцессорность.

Первым в семействе Alpha появился процессор 21064, по-другому он еще назывался EV4. При соблюдении проектных норм 0,75 мкм он работал на частоте 200 МГц и имел 128-разрядную внешнюю шину.

Появление этого процессора произвело фурор на рынке серверных технологий. Лидерство процессора Alpha было бесспорным.

Во всех моделях Альфа-процессоров присутствуют буквы EV, что означает Extended VAX. А это, в свою очередь, показывает, что альфа процессоры - наследники архитектуры VAX/VM. Первая цифра на надписи значит номер поколения. Вторая - то, что процессор был произведен по модернизированной позднее технологии.

В 1995 году Intel вырывается вперед, изготовив процессор Pentium Pro, работающий на частоте 200 МГц и обогнавший по производительности все существовавшие на тот момент RISC-процессоры. Но Intel недолго купался в лучах славы. Это был всего лишь мимолетный прорыв в лидеры среди систем этого класса. Спустя всего лишь несколько месяцев DEC вернула себе пальму первенства. Это стало возможным благодаря выпуску процессора Alpha AXP 21164A (EV5). Первые кристаллы производились с соблюдением проектных норм 0,5 мкм. Первоначальная их частота была 250 МГц, но уже последующие модификации работали с частотой до 700 МГц. Отличительной особенностью таких процессоров стало размещение на кристалле вторичной трехканальной множественно-ассоциативной кэш-памяти, что резко снизило количество обращений к внешней шине микропроцессора и увеличило его производительность.

На этом разработчики Digital не успокоились, и в декабре 1998 года появляется новое поколение процессоров - Alpha 21264 (EV6). Главным отличием Alpha 21264 от кристалла 21164 стало применение внеочередного выполнения команд и переименование регистров на лету. Модернизированные версии этой модели и сейчас показывают чудеса во многих высокопроизводительных системах.

В это же время Корпорация Compaq поглотила Digital Equipment и, собственно, стала владелицей семейства Alpha. На общее направление разработки процессоров это не повлияло, работы продолжались, и в скором времени появился процессор 21364 (EV7).

Почти сразу HP поглощает Compaq и пересматривает политику в отношении дальнейших планов по выпуску процессоров. Корпорация передает Intel около двухсот специалистов для разработки чипсетов технологии Itanium. Объясняется это тем, что HP не в состоянии одолеть собственные дальнейшие разработки по RISC-процессорам. Одновременно разработка новых версий Alpha-процессоров замораживается. Компания Hewlett-Packard приняла решение о постепенном удалении с рынка процессоров Alpha. По словам Ричарда Джорджа (Richard George), менеджера по производству промышленных серверов, последний Alpha-чип EV79 будет выпущен в 2004 году. Однако поставки будут продолжаться до 2006 года либо до полного исчезновения спроса на эту продукцию, после чего клиентам компании будет предложено перейти на чипсеты Itanium от Intel.

По иронии судьбы, в 1997 году Digital судилась с Intel по поводу нарушения интеллектуальной собственности в отношении Alpha. Однако конфликт был быстро урегулирован. По условиям соглашения Intel купил завод Digital в Хадсоне (штат Массачусетс), на котором в то время изготавливались процессоры Alpha, а также интеллектуальную собственность на семейство процессоров StrongArm.

Современные реалии

Не стоит только думать, что век мощнейших систем на базе Alpha-процессоров уже закончился. Так, в начале 2003 г. Hewlett-Packard объявила о выходе нескольких новых моделей AlphaServer, построенных на кристаллах EV7 Alpha. Это разные по производительности и решаемым задачам системы. Среди них корпоративный сервер GS1280, а также серверы масштаба подразделений и групп - ES80 и ES47. Все новые машины работают под управлением таких операционных систем как Tru64 Unix, OpenVMS и Linux.

Для сравнения между собой по разным параметрам компьютеров разной архитектуры обычные тесты не подойдут. Здесь нужны специальные тесты, учитывающие особенности разных платформ. Корпорация стандартизации сравнения производительности систем (Standard Performance Evaluation Corporation) производит тесты для сравнения компьютерных систем различных платформ между собой по таким основаниям, как производительность, масштабируемость, скорость поточной обработки данных и другие. Тесты проводятся для всех высокопроизводительных систем, а также для новых процессоров. Результаты тестов ты всегда можешь посмотреть на сайте www.spec.org.

По тестам, производимым SPEC, новые станции от HP заняли первые места в своих категориях, что показало их конкурентоспособность и отличное качество.

Сравнение однопроцессорных систем, построенных на базе Alpha-процессора EV7 1150 MHz, с процессором Intel Pentium 4 HT 3,06 GHz при равных условиях показали, что, даже уступая в производительности при операциях с целочисленными данными, Alpha-процессор в операциях с плавающей точкой берет верх.

А во многих тестах Alpha-процессору не было равных. Это, например, тест на масштабируемость вычислительных систем, где AlphaServer показал почти линейное увеличение производительности при расширении от 1 до 32 процессоров. А в сравнительном тесте измерения постоянной пропускной способности памяти компьютерных систем, AlphaServer GS1280 продемонстрировал результаты, в 5-10 раз превосходящие показатели систем сходного типа. Более подробно результаты тестов ты можешь посмотреть на www.spec.org, где представлены тесты для сравнения систем, построенных на различных платформах.

Результаты тестов показали, что Alpha-процессоры, за счет совершенства используемых технологий, качества проектирования и производства, и сейчас не уступают пальму лидерства в области суперкомпьютеров.

Уникальной особенностью Alpha-станций является их заводская оптимизация под выполнение определенных задач. Так, для обработки видеоданных используются станции AlphaStudio REV Station и AlphaStudio MPEG-2 Station, которые ты наверняка сможешь найти в любом современном телевизионном центре. Эти станции позволяют обрабатывать большие потоки видеоданных с превосходными результатами по производительности. Например, REV Station позволяет записывать, хранить и редактировать данные в формате Motion JPEG для ведения обработки исходных видеоданных с последующей цифровой обработкой и монтажом. Совокупность этих станций позволяет производить такие трудоемкие операции, как декодирование видеоданных, их монтаж, цифровую обработку, ведение видеоархивов, а также на выходе получать телевизионный сигнал, например в формате PAL или NTSC.

DEC разрабатывала не только процессоры для серверов и суперкомпьютеров. Так, совместно с фирмой Mitsubishi был разработан процессор 21164PC, который отличается от своего прародителя некоторыми техническими деталями для уменьшения себестоимости и предназначен для рынка рабочих станций среднего класса. При разработке этого процессора Digital ввела дополнительные инструкции для работы с видеоданными, что позволило достичь при декомпрессии видео (MPEG-2) впечатляющих результатов - 30 кадров в секунду без применения дополнительного сопроцессора или специализированной видеоплаты.

В 1997 году было подписано соглашение с фирмой Samsung, согласно которому последняя получила права на производство процессоров Alpha на собственных заводах и под собственной маркой. Это дало приток высокопроизводительных систем по более низким ценам.

А Alpha-процессоры под маркой Mitsubishi можно найти в новинках музыкальных систем Hi-End класса, а также в высокопроизводительных рабочих станциях, предназначенных для обработки мультимедиа данных или трудоемких расчетах.

Лучшие в мире

Несмотря на решения, принятые HP, системы, спроектированные на базе Alpha-процессоров, являются наиболее производительными и надежными. Так, например, в рейтинге top500 самых производительных вычислительных систем мира, суперкомпьютеры на базе Alpha-процессоров занимают почти половину списка. Кроме этого, вторая по производительности система в мире ASCI Q построена на базе Alpha-процессоров и применяется для моделирования.

Компьютерная система ASCI Q имеет следующие характеристики. Она состоит из 12288 процессоров EV-68, каждый из которых имеет рабочую частоту 1,25 ГГц и комплектуется 16 Мб кэшем. Система имеет 33 Тб оперативной памяти. Общая производительность системы составляет 13,88 Тflops. Этот компьютер был построен для нужд национальной лаборатории Лос Аламоса в рамках "расширенной программы эмуляции и расчетов" (Los Alamos Advanced Simulation and Computing Program) и предназначен для решения различных задач моделирования и сложнейших расчетов.

А самый мощный и производительный компьютер в России МВС-1000М также построен на базе alpha-процессоров, которых у него целых 768. Пиковая производительность суперкомпьютера МВС 1000М составляет 1 терафлоп. Общий объем оперативной памяти решающего поля - 768 Гбайт. Он также входит в список самых производительных компьютеров мира и стоит в нем на 95 месте. Сам список доступен по адресу www.Top500.org.

Почти все кадры голливудского фильма "Титаник" обрабатывались на Alpha-станциях. 200 компьютеров от Digital работали 24 часа в сутки в течение двух месяцев под управлением ОС Linux64. Результат, как говорится, налицо...

Великолепные спецэффекты в последних эпизодах широко известного сериала "Вавилон-5" тоже стали возможными только благодаря мощности процессора Alpha.

А дальше...

Alpha-процессоры сейчас уже не являются чем-то сверхэксклюзивным. Ввиду своей надежности, высокой производительности они используются во многих отраслях деятельности. Если ты меломан, наверняка знаешь, что музыкальные системы с alpha-процессором выдают звук чище, красивее и глубже. При обработке видео, трудных расчетах, в системах реального времени Alpha-системы попросту незаменимы.

А то, что развитие семейства процессоров Alpha подошло к логическому завершению, может, и к лучшему. Новые версии Itanium от Intel разрабатывают "всем миром". А вдруг получится хорошая замена?

Alpha – по-настоящему 64-битный RISC процессор.

Системы, основанные на Alpha-процессорах, обладают очень высокой надежностью.

Мой любимый «Вавилон-5» своим существованием во многом обязан «Альфе».

Alpha-процессор EV7 1150 делает Intel Pentium 4 HT 3,06 GHz по скорости операций с плавающей точкой.

Alpha-процессоры под маркой Mitsubishi можно найти в новинках музыкальных систем Hi-End класса.

Появление этого процессора произвело фурор на рынке серверных технологий. Лидерство процессора Alpha было бесспорным.