Альфа 21164

Четыре микропроцессора Alpha 21164 золотистого цвета с частотой 300 МГц на Cray T3E-600. процессорной плате

Выстрел DEC Alpha 21164 (EV5)

Alpha 21164 , также известный под кодовым названием EV5 , представляет собой микропроцессор , разработанный и изготовленный Digital Equipment Corporation , в котором реализована Alpha архитектура набора команд (ISA). Он был представлен в январе 1995 года, заменив Alpha 21064A в качестве флагманского микропроцессора Digital. На смену ему пришла Alpha 21264 в 1998 году.

История

Первый чип Alpha 21164 был выпущен в феврале 1994 года, и OpenVMS , Digital UNIX и Windows NT операционные системы на нем успешно загружались . Он был опробован в конце 1994 года и был представлен в январе 1995 года на частоте 266 МГц. Версия с частотой 300 МГц была представлена ​​в марте 1995 года. Последняя версия Alpha 21164, версия с частотой 333 МГц, была анонсирована 2 октября 1995 года и доступна в пробных количествах. Alpha 21164 был заменен Alpha 21164A в качестве флагманского микропроцессора Digital в 1996 году, когда версия с частотой 400 МГц стала доступна в больших количествах.

Пользователи

Digital использовала Alpha 21164, работающую на различных тактовых частотах, в своих AlphaServer серверах , AlphaStation рабочих станциях . Компания Digital также использовала Alpha 21164 в своих одноплатных компьютерах AlphaPC 164 и AlphaPC 164LX Alpha VME 5/352 и Alpha VME 5/480, а также материнских платах . Партнер Alpha, компания Cray Research, использовала процессор Alpha 21164 с частотой 300 МГц в своем суперкомпьютере T3E-600 . Третьи стороны, такие как DeskStation, также создавали рабочие станции на базе Alpha 21164.

Производительность

21164 продолжал лидировать по производительности от Alpha 21064A с частотой 275 МГц до появления Intel Pentium Pro в ноябре 1995 года, когда версия с частотой 200 МГц превзошла 21164 с частотой 300 МГц в наборе тестов SPECint95_base . 21164 сохранил лидерство в производительности операций с плавающей запятой. Модель 21164 с частотой 333 МГц, представленная в следующем году, превзошла Pentium Pro, но позже ее превзошел MIPS Technologies R10000 , а затем Hewlett-Packard PA-8000 . в том же году

Описание

Alpha 21164 — это четырехвыпускной суперскалярный микропроцессор, способный выдавать максимум четыре инструкции за такт четырем исполнительным блокам: двум целочисленным и двум с плавающей запятой . Целочисленный конвейер состоит из семи стадий, а конвейер с плавающей запятой — десяти стадий. В 21164 реализован 43-битный виртуальный адрес и 40-битный физический адрес . Таким образом, он мог адресовать 8 ТБ виртуальной памяти и 1 ТБ физической памяти .

Целочисленная единица

Целочисленный блок состоял из двух целочисленных конвейеров и файла целочисленных регистров . Два конвейера, конвейер добавления и конвейер умножения, не идентичны, каждый из них отвечает за выполнение разных инструкций, хотя оба способны выполнять общие инструкции добавления, логики, загрузки, сравнения и условного перемещения. Конвейер умножения выполняет исключительно инструкции сдвига, сохранения и умножения (в неконвейерном умножителе). Конвейер добавления выполняет исключительно инструкции ветвления.

За исключением инструкций ветвления, условного перемещения и умножения, все остальные инструкции начинают и заканчивают выполнение на пятом этапе с задержкой в ​​один цикл. Инструкции ветвления и условного перемещения выполняются на шестом этапе, поэтому их можно выдать вместе с инструкцией сравнения, от результата которой они зависят.

Файл целочисленных регистров содержал сорок 64-битных регистров, тридцать два из которых определены архитектурой Alpha, а восемь предназначены для использования PALcode в качестве блокнота памяти. Регистровый файл имеет четыре порта чтения и два порта записи, поровну разделенных между двумя целочисленными конвейерами.

Модуль с плавающей запятой

Модуль операций с плавающей запятой состоял из двух конвейеров операций с плавающей запятой и файла регистров с плавающей запятой. Два конвейера не идентичны: один выполняет все инструкции с плавающей запятой, кроме умножения, а другой выполняет только инструкции умножения. Оба трубопровода имеют четыре ступени. Неконвейерный делитель чисел с плавающей запятой подключен к конвейеру добавления. Все инструкции с плавающей запятой, за исключением деления, имеют задержку в четыре цикла. Деления имеют переменную задержку, которая зависит от того, выполняется ли операция над одинарной или двойной точности числами и числами с плавающей запятой . С учетом накладных расходов, деления одинарной точности имеют задержку от 15 до 31 цикла, тогда как деления двойной точности имеют задержку от 22 до 60 циклов.

Кэш

21164 имеет три уровня кэша : два встроенных и один внешний и дополнительный. Кэши и связанная с ними логика состояли из 7,2 миллиона транзисторов.

Первичный кеш разделен на отдельные кэши для инструкций и данных, называемые I-кэшем и D-кэшем соответственно. Они имеют размер 8 КБ, имеют прямое отображение и размер строки кэша 32 байта. D-кэш является двухпортовым для повышения производительности и реализуется путем двойного дублирования кеша. Он использует политику сквозной записи и политику распределения при чтении.

Вторичный кэш, известный как S-кэш, встроен в кристалл и имеет емкость 96 КБ. Требовался встроенный вторичный кэш, поскольку 21164 требовалась большая полоса пропускания, чем мог обеспечить внешний вторичный кэш, чтобы обеспечить достаточное количество инструкций и данных. Для доступа к кэшу требовалось два цикла из-за его большой площади. Для повышения производительности кэш является конвейерным. Еще одним преимуществом вторичного кэша на кристалле было то, что его можно было легко реализовать как многопоточный кэш, и в результате кэш является трехсторонним ассоциативным набором , что обеспечивает более высокую частоту попаданий, чем кэши с прямым отображением. S-кэш из-за требуемой большой физической площади был реализован в виде двух половин, расположенных по бокам I-box, E-box, F-box и M-box. Это было сделано для того, чтобы кеш мог возвращать данные за два цикла.

Третичный кэш, известный как B-кэш, реализуется с помощью внешних SRAM. B-кэш был необязательным, а некоторые системы, использующие Alpha 21164, его не имели. B-кэш мог иметь емкость от 1 до 64 МБ, меньшие емкости не поддерживались, поскольку они становились бесполезными из-за встроенного S-кэша. Он отображается напрямую, использует политику обратной записи и политику распределения при записи. B-кэш управляется встроенной логикой внешнего интерфейса, в отличие от 21064, для которого требовался внешний контроллер кэша. B-кэш может быть построен с использованием асинхронных или синхронных SRAM. Доступ к B-кэшу осуществляется через системную шину.

Внешний интерфейс

Розетка 499 для Альфа 21164

Внешний интерфейс представляет собой 128-битную системную шину. Системная шина работает на тактовой частоте от 3 до 15 раз ниже внутренней тактовой частоты или от 20 до 100 МГц при внутренней тактовой частоте 300 МГц. Тактовый сигнал системной шины генерируется микропроцессором.

Часы

Внутренняя тактовая частота генерируется путем деления внешнего тактового сигнала на два. Поэтому для Alpha 21164 требуется внешний тактовый сигнал частотой 600 МГц для Alpha 21164 с частотой 300 МГц.

Изготовление

Альфа 21164 содержит 9,3 миллиона транзисторов на кристалле размером 16,5 на 18,1 мм (299 мм). ² ), что было близко к максимальным пределам процесса. Кристалл был изготовлен (КМОП) пятого поколения компании Digital по комплементарной технологии металл-оксид-полупроводник , CMOS-5, процессу 0,50 мкм с четырьмя уровнями алюминиевых межсоединений . В 21164 использовался источник питания напряжением 3,3 В ( В). Он рассеивал 46 Вт на частоте 266 МГц, 51 Вт на частоте 300 МГц, 56 Вт на частоте 333 МГц.

Упаковка

Alpha 21164 упакован в 499-контактную керамическую решетку с промежуточной контактной решеткой (IPGA) размерами 57,40 на 57,40 мм. В комплекте имелся теплораспределитель с двумя шпильками, к которым радиатор крепился .

Производные

Альфа 21164 (EV56)

Микропроцессор Alpha 21164 (EV56) с частотой 500 МГц.

Съемка матрицы Samsung Alpha 21164 (EV56)

Альфа 21164 стала основой дальнейшей разработки под кодовым названием EV56 . Он был представлен как Alpha 21164, но первоначально был известен как Alpha 21164A . Он работал на тактовых частотах 366, 433, 500, 533, 566, 600 и 666 МГц.

История

Впервые он был описан в октябре 1995 года на Микропроцессорном форуме. 13 ноября 1995 года Digital объявила, что образцы будут отправлены позднее в этом месяце. Первая версия, работающая на частоте 366 МГц, была представлена ​​в 1996 году. 8 июля 1996 года компания Digital объявила, что доступна версия с частотой 433 МГц, а версия с частотой 500 МГц собирает пробы в больших количествах, которые должны быть представлены в сентябре 1996 года. Версия с частотой 433 МГц стоила 1492 доллара США за единицу в количестве 1000 штук. Версия с частотой 600 МГц была представлена ​​31 марта 1997 года и поставляется в больших количествах. В июне 1996 года Samsung Electronics подписала соглашение с Digital о поставке Alpha 21164A в качестве второго поставщика , и компания была единственной, кто производил модель с частотой 666 МГц. Образцы с частотой от 366 до 500 МГц были представлены 11 ноября 1996 года, а массовое производство началось в 1997 году. Alpha 21164A производился на заводах Digital в Гудзоне, Массачусетс, Samsung в Кихуэне, Южная Корея и на заводах .

Среди пользователей Alpha 21164A были Cray Research, Digital, Network Appliance (теперь NetApp) и DeskStation. Cray Research использовала Alpha 21164A с частотой 450, 600 и 675 МГц в более поздних моделях своего суперкомпьютера T3E . Компания Digital использовала Alpha 21164A, работающую на различных тактовых частотах, в своих рабочих станциях AlphaServers , AlphaStation , Celebris XL и цифровых персональных рабочих станциях . Alpha 21164A 400, 500 и 600 МГц NetApp использовала в своих системах хранения данных . DeskStation использовала Alpha 21164A в своих рабочих станциях Raptor Reflex.

Описание

Наиболее заметным изменением стало включение расширений байтовых слов (BWX), расширения архитектуры Alpha, предназначенного для улучшения доступа к байтам и словам. Эти инструкции выполняются конвейером умножения. Alpha 21164A содержала 9,66 миллиона транзисторов на кристалле размером 14,4 на 14,5 мм при площади кристалла 209 мм. ² . Компания Digital изготовила кристалл по КМОП-технологии шестого поколения, CMOS-6, с толщиной слоя 0,35 мкм и четырьмя слоями межсоединений. Samsung изготовила кристалл по технологии 0,35 мкм с четырьмя слоями межсоединений на основе технологии 0,3 мкм, разработанной ими в начале 1996 года. В Alpha 21164A использовался источник питания 3,3 В, рассеивающий 31,0 Вт на частоте 366 МГц, 36,0 Вт на частоте 433 МГц, 41,0 В. Вт на частоте 500 МГц, 43,5 Вт на частоте 533 МГц и 48,5 Вт на частоте 600 МГц.

Альфа 21164PC (PCA56)

Alpha 21164PC , также известный как PCA56 , представляет собой недорогую версию Alpha 21164A, представленную 17 марта 1997 года. Микропроцессор был разработан совместно компаниями Digital и Mitsubishi Electric Corporation , и обе компании изготовили его конструкцию. Позже Mitsubishi приостановила действие соглашения о совместной разработке будущих микропроцессоров Alpha с Digital в начале 1998 года и прекратила производство Alpha 21164PC в середине 1998 года, уйдя с рынка Alpha из-за экономических условий на рынках компании.

Alpha 21164PC работал на тактовых частотах 400, 466 и 533 МГц. Основными изменениями являются отсутствие S-кэша, увеличенного I-кэша и включение инструкций Motion Video (MVI), расширения архитектуры Alpha, которое ввело инструкции с одной командой и несколькими данными (SIMD) для повышения производительности MPEG. кодировка. S-кэш был удален, чтобы уменьшить количество транзисторов, что уменьшило размер кристалла и, в свою очередь, стоимость. Емкость I-кэша была увеличена вдвое с 8 КБ до 16 КБ, чтобы компенсировать отсутствие S-кэша, поскольку Alpha 21164 полагалась на S-кэш в качестве дополнения к I-кэшу, чтобы обеспечить достаточную пропускную способность для достижения адекватной производительности. . Объем B-кэша был ограничен от 512 КБ до 4 МБ, также поддерживались емкости 1 и 2 МБ. Микропроцессор использует 43-битный виртуальный адрес и 33-битный физический адрес.

Alpha 21164PC содержал 3,5 миллиона транзисторов на кристалле размером 8,65 на 16,28 мм при площади кристалла 141 мм. ² . Компания Digital изготовила кристалл по тому же процессу, что и Alpha 21164, CMOS-5. Alpha 21164PC был выполнен в 413-контактном корпусе IPGA размером 49,78 на 49,78 мм. В нем использовался источник питания 3,3 В, рассеивающий 26,5 Вт на частоте 400 МГц, 30,5 Вт на частоте 466 МГц и 35,0 Вт на частоте 533 МГц.

Alpha 21164PC использовалась компанией Digital в материнской плате AlphaPC 164SX.

Альфа 21164PC (PCA57)

, производная от PCA56, PCA57 была разработана и изготовлена ​​компанией Samsung Electronics по КМОП-процессу 0,28 мкм. PCA57 был представлен в конце 1998 года и работал на тактовых частотах 533, 600 и 666 МГц. Улучшения микроархитектуры PCA56 включали удвоение емкости I-кэша и D-кэша: 32 КБ и 16 КБ соответственно. PCA57 содержал 5,7 миллиона транзисторов на кристалле размером 6,7х15 мм при площади кристалла 101 мм. ² . Он работал от источника питания 2,5 В и рассеивал 18 Вт на частоте 533 МГц, 20 Вт на частоте 600 МГц и 23 Вт на частоте 666 МГц.

PCA57 использовался компанией Digital в материнской плате AlphaPC 164RX.

Чипсеты

Digital и VLSI Technology разработали наборы микросхем для 21164 и его производных. Компания Digital также разработала специализированные интегральные схемы (ASIC) для использования в высокопроизводительных моделях своего семейства AlphaServer, таких как AlphaServer 8200 и 8400.

21171

21171, также известный как Alcor, был первым набором микросхем для 21164, представленным в январе 1995 года вместе с поддерживаемым им микропроцессором. Он был разработан и изготовлен компанией Digital. 21171 представляет собой обновленный чип DECchip 21071, модифицированный для поддержки нового протокола системной шины, который использует 21164. Он состоял из управляющей микросхемы, содержащей контроллеры памяти и PCI , а также четырех микросхем срезов данных, которые соединяли 256-битную шину памяти и шину PCI с системной шиной. 21171 имеет 64-битную шину PCI, работающую на частоте 33 МГц.

21172

21172, также известный как Alcor2, представлял собой обновленную версию 21171, поддерживающую 21164A.

Коробки

Чипсет Pyxis, также известный как 21174, поддерживал микропроцессоры 21164A и 21164PC. В отличие от предыдущих чипсетов, он был разработан для недорогих систем. В результате это была однокристальная конструкция, упакованная в решетчатую решетку из керамических шариков с 474 контактами (CBGA) вместо нескольких корпусов. Впоследствии он использовался в чувствительных к стоимости приложениях, таких как рабочие станции начального уровня ( цифровая персональная рабочая станция серии a ) и материнские платы, такие как AlphaPC 164LX и 164SX. На момент выпуска модель 21174 стоила 142 доллара США при партии в 1000 экземпляров.

21174 содержит контроллер памяти и контроллер PCI. Контроллер памяти поддерживает до 512 МБ синхронной динамической оперативной памяти (SDRAM) и обращается к ней по 128-битной шине памяти . Память может иметь защиту ECC или четности. Контроллер PCI предоставил шину PCI или PCI-X .

Полярис

Polaris — это системный контроллер, разработанный компанией VLSI Technology для персональных компьютеров и поддерживающий микропроцессоры 21164A и 21164PC. О компании Polaris было объявлено 16 июня 1997 года. Он поддерживает до 768 МБ EDO DRAM или до 512 МБ SDRAM. Доступ к памяти осуществляется через 128-битную шину. Он обеспечивает 32-битную шину PCI с частотой 33 МГц для ввода-вывода.

Пользователи Polaris включили Digital в свою материнскую плату AlphaPC 164RX.

Ссылки

• Бушар, Грегг. «Цели разработки микропроцессора Alpha 21164 0,35 мкм» . Симпозиум IEEE Hot Chips, август 1996 г., Компьютерное общество IEEE.
• Боухилл, Уильям Дж. и др. (1995). «Схема реализации 64-битного процессора CMOS Alpha второго поколения с частотой 300 МГц». Цифровой технический журнал , том 7, номер 1, стр. 100–118.
• Эдмондсон, Джон Х. и др. (1995). «Внутренняя организация Alpha 21164, 64-битного четырехканального CMOS RISC-микропроцессора с частотой 300 МГц». Цифровой технический журнал , том 7, номер 1, 1995. стр. 119–135.
• Эдмондсон, Джон Х. и др. (1995). «Выполнение суперскалярных инструкций в микропроцессоре Alpha 21164». IEEE микро . стр. 33–43.
• Форемски, Том (10 февраля 1998 г.). «Mitsubishi отходит от Альфы» . Еженедельник электроники .
• Форемски, Том (10 июля 1998 г.). «Mitsubishi Electric прекращает производство микропроцессоров Alpha» . Еженедельник электроники .
• Гвеннап, Линли (12 сентября 1994 г.). «Цифровые технологии лидируют с 21164». Отчет о микропроцессоре , Том 8, Номер 12.
• Гвеннап, Линли (8 июля 1996 г.). «Цифровой 21164 достигает 500 МГц». Отчет о микропроцессоре , Том 10, Номер 9.
• Гвеннап, Линли (31 марта 1997 г.). «Компьютер 21164PC Digital нацелен на рынок ПК». Отчет о микропроцессоре , Том 11, Номер 4.
• Райан, Боб (октябрь 1994 г.). «Альфа на высоте». Байт .
• Samsung Semiconductor, Inc. (11 ноября 1996 г.). « Samsung представляет микропроцессор Alpha 21164 с тактовой частотой 500 МГц; первый продукт, созданный в результате лицензионного соглашения Digital/Samsung, массовое производство которого начнется во втором квартале 1997 года. Архивировано 11 октября 2012 г. в Wayback Machine ». Пресс-релиз.
• Шуман, Рейнхард К. (1997). «Проектирование контроллера памяти 21174 для цифровых персональных рабочих станций». Архивировано 6 сентября 2008 г. в Wayback Machine . Цифровой технический журнал 9 (2): 57–70.
• Технология СБИС (16 июня 1997 г.). «Polaris, новый системный контроллер Alpha от VLSI, преодолевает барьер передачи данных в память в гигабайтах в секунду. Конечные пользователи получают полную производительность систем Alpha». Пресс-релиз.
• Форумы CCL (25 марта 1998 г.). «DEC Alpha 566 против 600 МГц»

Дальнейшее чтение

• Бэннон П., Сайто Ю. (1997). «Микропроцессор Альфа 21164ПК» . Труды Compcon '97 , стр. 20–27.
• Бхандаркар, Дилип П. (1995). Альфа-архитектура и реализации . Цифровая пресса.
• Карлсон Д. и др. (1998). «Микропроцессор RISC с частотой 667 МГц, содержащий целочисленный умножитель 6,0 нс 64 бит». Сборник технических документов ISSCC , стр. 294–295.
• Карлсон, Д.А.; Кастелино, RW; Мюллер, Р.О. (ноябрь 1997 г.). «Мультимедийные расширения для RISC-микропроцессора 550 МГц» . Журнал IEEE твердотельных схем 32 (11): стр. 1618–1624.
• Джайн, АК и др. (1997). "1,38 см ² Микропроцессор 550 МГц с мультимедийными расширениями». Сборник технических документов ISSCC , стр. 174–175, 451.
• Гроновски, Пол Э. и др. (май 1998 г.). «Проектирование высокопроизводительного микропроцессора». Журнал IEEE твердотельных схем 33 (5): стр. 676–686.
• Кобаяши С. и др. (1997). «Микропроцессор Alpha с частотой 550 МГц, предназначенный для ПК» . Материалы Международного симпозиума 1997 г. по технологиям, системам и приложениям СБИС , стр. 203–207.

Внешние ссылки

• Обзор микроархитектуры Alpha AXP 21164, лекция Джона Эдмонсона