Arial Georgia Tahoma Times New Roman Verdana

Alpha процессор

В конце 1995 года на рынке высокопроизводительных процессоров произошло значительное событие. Выпущенный компанией Intel процессор Pentium Pro, работающий на частоте 200 MHz, обогнал (на операциях с фиксированной точкой) все существовавшие на тот момент RISC-процессоры (Alpha, PowerPC, SPARC, MIPS, PA-RISC).

Лидерство Intel, однако, было недолгим: спустя всего несколько месяцев фирма Digital вернула себе пальму первенства, которая принадлежала ей с 1992 года. Это стало возможным благодаря выпуску процессора Alpha AXP 21164A c тактовой частотой 333 MHz. Сейчас ещё трудно делать какие-либо серьёзные прогнозы, но похоже, что Intel вряд ли снова сможет вырваться вперёд в ближайшее время.

В марте прошлого года тактовая частота процессора 21164A достигла 600MHz; примерно в это же время был анонсирован процессор 21264 с частотой 600MHz и более, по производительности превосходящий своего предшественника почти в два раза (при равной тактовой частоте). Однако, обо всём по порядку.

Процессор

Alpha AXP - 64-разрядный RISC-процессор (Digital постоянно подчёркивает, что это не просто 32-разрядная архитектура, расширенная до шестидесяти четырёх бит, а именно "истинная" 64-разрядность), на кристалле которого размещаются более девяти миллионов транзисторов (из которых почти 2 миллиона приходятся на ядро, остальные - на кэш-память). Среди особенностей стоит отметить девятиступенчатый конвейер для операций с плавающей точкой, семиступенчатый конвейер для операций с фиксированной точкой; 16-килобайтный кэш первого уровня с прямым отображением (по 8 килобайт дла команд и данных); 96-килобайтный трёхканальный частично ассоциативный кэш второго уровня (также размещён на кристалле); поддержка кэш-памяти третьего уровня (от одного до шестидесяти четырёх мегабайт); 128-битная шина 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.

Время доступа к кэш-памяти первого уровня составляет всего один такт; второго уровня — как минимум два такта. За один такт, кстати, процессор может выполнять до четырёх команд. Кроме того, некоторые оригинальные решения позволили очень эффективно использовать конвейеры, практически убрав простои из-за отсутствия операндов.

Процессор Alpha имеет ряд отличий от других RISC-процессоров. Скажем, у него достаточно "сильный" блок операций с фиксированной точкой, что не слишком характерно для архитектуры RISC (это связано с обработкой исключительных состояний при арифметических операциях; фирме Digital удалось обойти это ограничение). На самом деле, целочисленных блоков два — один отвечает за операции сдвига и умножения, другой обрабатывает команды ветвления. Устройство для работы с плавающей точкой тоже состоит из двух блоков: один занимается умножениями, другой выполняет команды сложения, деления и ветвления.

Есть и другие интересные особенности: например, наличие удобных инструкций работы со строками; за одну команду может обрабатываться сразу 8 байт.

Первые процессоры серии 21164 производились по 0.5-микронной технологии (сейчас — 0.35 микрон) и работали на частотах 266 и 300MHz (сейчас — до 600MHz). Кстати, такие высокие частоты неизбежно вызывают проблемы с отводом тепла: рассеиваемая мощность у процессора с частотой 366MHz достигает 28 Ватт (для больших частот — прибавьте 5 Ватт на 66MHz, т.е. 38 Ватт для 500MHz и т.д.). Однако Digital не останавливается на достигнутом, и в настоящее время разрабатывает новые системы охлаждения, которые позволят поднять тактовую частоту процессора до 700-800MHz даже при существующей технологии производства БИС. Кстати, большая рассеиваемая мощность — один из главных аргументов противников Alpha, однако они вряд ли задумывались над тем, каковы аналогичные характеристики PentiumPro. Так вот, сообщаю: PentiumPro с кэш-памятью 1Mb рассеивает до 47 Ватт (и это при тактовой частоте всего 200MHz). Не верите? Загляните на web-сервер Intel. Мало того, более "современный" Pentium II в этом плане не намного лучше — 43 Ватта при частоте 300MHz!

Спустя некоторое время после выпуска 21164, фирма Digital (совместно с Mitsubishi) разработала процессор 21164PC. С целью снижения себестоимости из него убрали кэш второго уровня (96 килобайт), компенсировав это увеличением кэша команд с восьми до шестнадцати килобайт; при этом имеется возможность подключения внешнего кэша второго уровня: от 512Kb до 4Mb. Количество транзисторов на кристалле уменьшилось до трёх с половиной миллионов. За меньшую цену, естественно, вы получаете и меньшую производительность: до 14.3 SPECint95 и 17.0 SPECfp95; тем не менее, это всё равно значительно больше, чем может дать Pentium Pro...

21164PC предназначен для "массового" рынка недорогих рабочих станций ($2000 — $5000). Спектр возможных применений достаточно обширен: мультимедиа в реальном времени, web-серверы, организация видеоконференций, CAD/CAM, 3D-графика, нелинейный видеомонтаж. При разработке этого процессора Digital последовала "по стопам" Intel и ввела дополнительные инструкции для работы с видеоданными, что позволяет достичь прекрасную производительность на декомпрессии видео (MPEG-2): частота 30 кадров в секунду достигается без дополнительного сопроцессора или специализированной видеоплаты — это действительно впечатляет!

Больше года назад Digital подписала соглашение с фирмой Samsung, согласно которому последняя получила права на производство процессора Alpha 21164A на собственных заводах и под собственной торговой маркой. Хотя компания Samsung пока только разворачивает производство (в 1997 году планировалось выпустить всего четыре тысячи, а в 1998 — около ста тысяч процессоров), она тем не менее уже начала проводить массированную рекламу в прессе (докатившуюся даже до российских компьютерных журналов), рассылку образцов микросхем своим партнерам и даже образовала подразделение, которое будет заниматься выпуском дешевых компьюторов на базе процессоров Alpha собственного производства. К слову, Samsung (В переводе с корейского Samsung означает три (сам) звезды или великих святыни (сунг) и употребляется в мужском роде) установил на свои процессоры цены существенно более низкие, чем Digital и начала выпуск собственных материнских плат PC 164LX, копий плат от Digital, так что в ближайшем будующем мы можем стать свидетелями новой "войны цен" — невиданное ранее событие в мире RISC-просессоров. Скорее бы — как известно, это всегда идёт на пользу конечному пользователю.

Имеется, кстати, аналогичное соглашение и с фирмой Mitsubishi - еще одним полупроводниковым гигантом, которая, однако, массовое производство процессоров пока не начала, ожидая окончательного формирования рынка. А жаль…

Материнские платы

В отличие от Intel, Digital придерживается более "закрытой" политики в распространении своей платформы. Информация о комплектах микросхем, поддерживающих процессор Alpha, хотя и размещена на сайте Digital, но, по данным из независимых источников, содержит ряд неточностей и (возможно, внесенных специально) ошибок, что делает достаточно проблематичным разработку материнских плат третьими фирмами. Полную информацию получить достаточно сложно даже для партнеров Digital. OEM-партнеры также весьма ограничены в своем выборе — мощные платы для рабочих станций и серверов им не поставляются.

Итак, какие платы сможет использовать, скажем, российская фирма, если она захочет заняться "отверточной" сборкой компьютеров на базе процессора Alpha?

Плата AlphaPC164 фирмы Digital. Выпускается в ставшем в последнее время популярным формате ATX, но… к сожалению, не полностью соответствует этому стандарту — по крайней мере, если вы попытаетесь использовать обычный ATX-корпус от ПК. Во-первых, на разъеме питания отсутствует сигнал "Power Good"; из-за этого на источнике питания срабатывает защита, и он автоматически выключается немедленно после включения. Пустячок — а неприятно, хотя это и можно обойти, припаяв резистор между выводом "Power Good" на разъеме источника питания и "землей" на нем же (проверено электричеством, т.е. на собственной плате). Вдобавок, на плате отсутствует разъем для подсоединения выключателя питания, что также не слишком хорошо, так как на многих ATX-корпусах отсутствует общий выключатель питания. В результате остаётся единственный способ выключать компьютер: просто выдёргивать его из розетки, или использовать удлинитель (фильтр) типа "Пилот" с собственным выключателем. И последний — совсем мелкий по сравнению с предыдущими — недостаток: разъёмы портов, мыши и клавиатуры расположены не так, как у стандартных ATX-плат, так что вам придется оставить незакрытую дыру в корпусе, или изготавливать заглушку самому — стандартную использовать не удастся.

В остальном же плата на редкость стандартна и совместима с "миром персоналок". Два разъема IDE, разъем для подключения флоппи-дисковода, два последовательных и один параллельный порт, PS/2-совместимые клавиатура и мышь — что, в общем-то, не удивительно, так как используется микросхемы производства Intel и SMC. Четыре разъема стандарта PCI, два из них 64-разрядных (фирма Intel о поддержке PCI64 пока не заявила, и пока единственная персоналка с такой шиной - Micron Powerdigm XSU на базе набора микросхем Samurai. Кэш-память 1 или 2 мегабайта для PC — редкость, а для RISC-платформ совсем немного. Кстати, "для себя" Digital производит платы с восемью и даже с шестнадцатью мегабайтами кэш-памяти (а может и больше — поддерживается-то до 64MB) — но их, насколько я знаю, не продает. И, самое главное — 8 разъемов для 72-контактных SIMM-модулей. В чем же загадка этих разъемов? — спросите вы, как спросил бы мой любимый литературный герой. И я отвечу, что я не знаю, в чем их загадка. Тогда вы подумаете ещё, и спросите меня снова — "А в чем их разгадка?". А разгадка их в том, отвечу я, что для увеличения скорости обмена между оперативной и кэш-памятью используется 256-разрядная шина (да-да, я не ошибся), так что для получения максимальной производительности вам придется установить в плату все восемь модулей памяти. Конечно, вы можете ограничиться "всего лишь" 128-разрядной шиной и установить 4 модуля, но, поверьте мне, скупиться тут не стоит — память поддерживается только "обычная", со страничным доступом (так называемая fast page), в отличие от стандартной для Pentium-компьютеров памяти с "расширенным выводом данных" (EDO) или синхронной (SDRAM).

С видеоадаптерами, SCSI-платами и прочими устройствами, скорее всего, серьёзных проблем не возникнет: в состав Windows NT 4.0 входит большинство необходимых драйверов. Проблемы могут возникнуть разве что с совсем новыми платами — пока лишь немногие производители плат выпускают драйверы для версии NT/Alpha.

Плата AlphaPC 164LX, появившаяся в сентябре 1997 года, использует новый набор микросхем, который поддерживает синхронную динамическую память (SDRAM) и процессор с частотой до 600MHz, но любим мы ее не только за это: она гораздо больше соответсвует стандарту ATX (как вам это сочетание — больше соответствует стандарту?), так что вы не столкнетесь с описанными выше проблемами при использовании стандартного корпуса ATX от "персоналки". Производительность при тестировании на однопоточных приложениях и "счетных" задачах существвенно возросла. Правда, по слухам, "старая" плата быстрее на серверных приложениях благодаря описанной выше 256-разрядной памяти (на LX-плате она 128-разрядная).

Планируется также выпуск платы AlphaPC164UX — больше разъемов для расширения памяти, выше поддеживаемые тактовые частоты (до 800 МГц !!!), и интегрированные на плате Ethernet 10/100 и UltraWideSCSI адаптеры.

Вот и всё из материнских плат, что вы сможете использовать — "от Digital". Есть еще несколько небольших фирм, выпускающих платы для процессора Alpha — Alta Techology, Aspen, Polywell - но при ближайшем рассмотрении они все оказались "копиями" плат Digital. Судя по тому, что расположение компонент на плате — вплоть до конденсаторов! — совпадает, изготовлены они все по документации, полученной от Digital, а то и просто — фирмы закупают саму плату, микросхемы, "распаивают" их и дают "свое" название. Несмотря на то, что могие фирмы аннонсировали "оригинальные" платы еще полгода назад, ни одна так и не приступила к их коммерческому выпуску — сказываются, по-видимому, сложность технологии, высокие тактовые частоты и высокие требования Digital к сертифицируемой продукции! А пока можете посетить сфйт AlphaPowered — там вы найдёте обширный список поставщиков различного аппаратного обеспечения на базе процессов Alpha.

Производительность

Оценка производительности — дело достаточно сложное. Собственно, вывести некую "абсолютную" величину скорости работы процессора вообще практически невозможно; слишком многое зависит от операционной системы, специфики приложений и т.д. Для сравнения систем, работающих под Windows 95 и Windows NT, обычно используют тесты от Ziff-Davis: ZD WinBench и ZD WinStone. Они позволяют протестировать весь комплекс в целом, создавая условия, максимально приближенные к "реальным", т.е. тем, в которых работает "средний пользователь".

Однако, такие тесты совершенно непригодны для сравнения разных процессоров, работающих в разных операционных системах. Здесь больше подходит набор неких "усреднённых" тестов, легко переносимых на любую платформу; таковыми являются SPECint95 (для операций с фиксированной точкой) и SPECfp95 (для операций с плавающей точкой).

Цифры впечатляют: 18 SPECint95 и 27 SPECfp95 для 21164-600; 40 SPECint95 и 60 SPECfp95 для 21264-600. Для сравнения: процессор Pentium II с частотой 333MHz и кэш-памятью 512Kb показывает около 13 на тесте SPECint и 9 на SPECfp...

Фирма Aspen Systems, Inc., поставляющая рабочие станции на базе Alpha, приводит следующие данные:

Я не слишком привык доверять "официальным" цифрам, поэтому решил убедиться в преимуществах процессора от Digital, используя собственные тесты. Вот что у меня получилось:

• Первый тест — медианная фильтрация картинки размером 512x512 (маска размером 7x7).
• Второй тест: быстрое преобразование Фурье (2048x2048).
• Третий и четвёртый тест: набор функций обработки сигналов, довольно часто встречающийся в системах реального времени (много операций с плавающей точкой, в том числе вызовы тригонометрических функций). Все времена даны в миллисекундах.

Тестирование для Pentium MMX проходило на компьютере с материнской платой ASUS TX97E, процессор Pentium-200 MMX, 64Mb SDRAM, 512Kb cache, Windows 95 OSR2; компилятор: Intel Optimizing compiler, входящий в состав Borland C++ 5.01 (это, понятное дело, Intel).

Процессор Pentium II был установлен на материнской плате Intel AL440LX с 64Mb SDRAM, 512Kb cache; компилятор: Intel C/C++ Compiler 2.4.

Alpha: материнская плата AlphaPC164, процессор 21164A-500, 1024Kb cache, 128Mb FP DRAM; компилятор: Visual C++ 5.0 (RISC Edition).

Справедливости ради надо отметить, что вариант для Intel довольно тщательно оптимизировался с помощью пакета VTune с целью максимально загрузить конвейер Pentium (инструкции MMX, правда, не использовались). Вариант для процессора Alpha был получен простой перекомпиляцией (не считая небольших изменений, связанных с замерами времени), так что резервы для оптимизации имеются (применение даже довольно старых математических библиотек от Digital, разработанных в 1993 году ещё для Windows NT 3.1, даёт дополнительный выигрыш до 15%).

Последний столбец в таблице показывает время выполнения на Alpha тестов, скомпилированных для процессора Intel, т.е. в режиме эмуляции (подробнее о том, что такое FX!32 и как он работает, см. ниже). Результаты, по-моему, достаточно приличные; несколько портит картину только первый тест - дело в том, что используемые в нём массивы данных не умещаются во внутреннюю кэш-память).

Рекомендую также заглянуть на AlphaPowered. Там приводятся результаты сравнения рабочих станций на процессорах Alpha и PentiumPro при выполнении реальных задач (3D-rendering и т.д.); некоторые тесты заняли у процессора от Intel в 4-5 раз больше времени, чем у Alpha...

В лаборатории журнала BYTE (см. "Low-Cost Alpha Offers Cheap Power", February 1998) был проведён сравнительный анализ последних моделей от Micron (Powerdigm XSU) и Hewlett-Packard (Kayak XU), построенных на базе двух процессоров Pentium II, и рабочей станции "начального уровня" от Microway (Scream'n Demon-SX 533) на базе Alpha 21164PC. При том, что последняя дешевле своих конкурентов более чем в два раза, она с легкостью оставила их позади, выполнив тест Lightwave 3D за 683 секунды, в то время как Micron и HP потратили на него 833 и 842 секунды, соответственно. И для сравнения — результаты, полученные на процессоре Alpha 21164A: 511 секунд при частоте 600MHz и 594 секунды при частоте 533MHz.

С выпуском компанией Intel процессора Merced ситуация вряд ли изменится. Этот процессор и так уже опаздывает на два года; ожидается, что он будет иметь производительность порядка 40 SPECint. Alpha пересекут этот барьер уже летом нынешнего года; а к моменту выхода Merced (примерно через год) Digital и Samsung будут иметь процессор Alpha 21364, с производительностью порядка 130-160 SPECint. Похоже, что в этой гонке Intel так и останется догоняющим…

Кстати, почти все кадры последнего голливудского блокбастера "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 спецеффекты в последних эпизодах широко известного сериала "Вавилон-5" тоже стали возможными только благодаря мощности процессора Alpha.

Программное обеспечение

На сегодняшний день существует более трёх тысяч "родных" приложений для компьютеров на базе процессоров Alpha, работающих под операционной системой Windows NT (Softimage, AutoCad, Lotus Notes, LightWave 3D), и из число постоянно увеливается. На web-сервере Digital можно с лёгкостью проверить, перенесена ли ваша любимая программа на платформу Alpha; полный список приложений можно получить отсюда: DIGITAL Partner Applications Catalog

Некоторой неожиданностью стал недавний отказ фирмы Autodesk от выпуска новых версий Autocad (начиная с версии 14) для этой платформы; по словам представителей фирмы, 240000 Alpha-систем (а именно столько было продано Digital за последний год) — это слишком мало.

Однако расстраиваться не стоит. Digital выпустила продукт FX!32 (распространяется бесплатно), позволяющий запускать на Alpha-станциях (работающих под Windows NT) приложения для DOS, Win16 и Win32 (Intel).

FX!32 — это не просто эмулятор. Будучи проинсталлированным, он отслеживает запуск "чужих" приложений и эмулирует процессор Intel только при первом их запуске, одновременно переводя команды для Intel в "родной" код Alpha. После того, как программа заканчивает выполнение, код довольно тщательно оптимизируется. При дальнейших запусках выполняется уже "родной" Alpha-код. Digital утверждает, что такой подход позволяет на 21164 достичь производительности, сравнимой с PentiumPro-200, что совсем неплохо. С совместимостью, кстати, проблем почти нет: скажем, Microsoft Office 97, по моим наблюдениям, работает под Windows NT (Alpha) даже надёжнее, чем под Windows 95 (в скором времени, кстати, Microsoft планирует выпустить если не полный Office, то как минимум Word 97 и Excel 97 для платформы Alpha). Даже такие "монстры", как 3D Studio Max и Adobe Photoshop 4.0, работают под FX!32 исключительно хорошо. Проблемы, конечно же есть, но их немного и они в принципе решаемы. Ожидается, что эта технология будет встроена в финальную версию Windows NT 5.0.

Разработчики приложений для Windows NT тоже не испытывают трудностей при переносе своих программ на Alpha: Microsoft недавно выпустила Visual C++ v.5.0 и даже Visual Basic v.5.0 (RISC edition). Вышел также и Digital Visual Fortran, ранее известный как Microsoft Fortran PowerStation — Microsoft полностью передала его фирме Digital (включая Intel-версию). Опыт показывает, что простой перекомпиляции исходных текстов обычно бывает достаточно (плюс некоторые "мелочи" - например, разные размеры страниц памяти у процессоров Intel и Alpha); определённые сложности вызывает только перенос kernel-mode драйверов, но и эта проблема решаема (можно, например, воспользоваться услугами Microsoft Porting Lab или DEC Migration Lab).

Впрочем, что это мы всё об NT… "Родной" операционной системой для процессора Alpha является всё-таки UNIX. В отличие от NT, UNIX — полностью 64-разрядная система, а это немаловажно для некоторых приложений (32-разрядная адресация в Windows NT позволяет держать в памяти "всего" 4Gb данных, и это достаточно серьёзное ограничение для систем управления базами данных и ряда других приложений). Следующая версия NT (Cairo) будет поддерживать 64-разрядные адреса (VLM — Very Large Memory), но истинно 64-разрядной будет только NT 6.0. Впрочем, большинство пользователей могут об этом не беспокоиться; нижеприведённые данные показывают, что существенной разницы в скорости работы под Digital UNIX и Windows NT не наблюдается (тестировались рабочие станции Digital Personal Workstation; модели 433a, 433au, 500a, 500au, 600a, и 600au — первые три цифры ознагают тактовую частоту процессора, "a" — Alpha, "u" — Unix):

Впрочем, "просто" 64-разрядная адресация — это тоже немало. Для развлечения — вот что можно посчитать с использованием 32- и 64-разрядных чисел:

Будущее

Во втором квартале текущего года должно начаться производство процессора 21264 (EV6) — по той же 0.35-микронной технологии, что и 21164; количество транзисторов на площади 302 мм² - более пятнадцати миллионов; внутренняя кэш-память будет расширена до 128 килобайт (2x64), а частота обращения к ней достигнет 333MHz (пропускная способность — до 5.2GBps). Анонсирован и новый набор микросхем 21272 "Tsunami", который поддерживает один или два процессора 21264, одну или две шины памяти (256-бит, 83MHz, SDRAM) и две параллельных 64-разрядных шины PCI (пропускная способность — до 2.6 GBps). Более подробную информацию об этом процессоре можно найти здесь: "Digital 21264 Sets New Standard".

Во второй половине 1998 года, уже по 0.25-микронной технологии, начнёт производиться процессор 21264A (EV-67) с частотой 800MHz и более. Затем будет выпущена удешевлённая модификация — 21264PC (PCA-67) с вдвое меньшей кэш-памятью. На основе этих процессоров можно будет производить как однопроцессорные, так и многопроцессорные серверы, конкурентоспособные по цене с аналогичными системами на Pentium Pro.

В 1999 году (примерно в то же время, когда Intel планирует выпустить Merced), можно ожидать появления процессора 21364 (EV-7), работающего с частотой более 1000MHz. Это будет прорыв через барьер 100 SPECint95… Существуют также планы создания 21464 и 21564 (однако, эта информация является конфиденциальной).

Ниже приведена небольшая сводка основных характеристик существующих и планирующихся процессоров от Intel и Digital (по данным журнала BYTE, February 1998: "Alpha's Future"):

Цены

Фирма Digital рассчитывает "отхватить" у Intel значительную долю рынка высокопроизводительных настольных систем, и поэтому вынуждена регулярно снижать цены. В настоящий момент процессор 21164PC (в партии не менее 1000 штук) можно приобрести всего за $295, $395 и $495 (варианты с тактовой частотой 400, 466 и 533MHz). Кстати, процессоры Alpha (по меньшей мере, те, которые сейчас выпускаются фирмой Samsung) прекрасно работают на повышенной тактовой частоте — во всяком случае, чтобы "разогнать" 533MHz-вариант до 600MHz, мне даже не понадобилось ставить более мощный вентилятор :-).

Процессоры Alpha 21164A пока заметно дороже (хотя Intel PentiumPro 200 МГц с кэш-памятью 1 МБайт стоит тоже не дешево) — однако Digital регулярно снижает цены, да и цена менее $8000 долларов (в Москве) для рабочей станции высокого класса (с OpenGL-акселератором и прочими "наворотами") - это совсем немного. Стоимость же станций с процессором 466 МГц, 64 МБайтами памяти и популярной в народе графической платой Matrox Millennium составляет у некоторых московских фирм менее трёх тысяч долларов.

Впрочем, уже сейчас можно приобрести (даже в Москве) очень неплохую станцию на базе 21164PC 533MHz по цене до $2000; при этом соотношение цена/производительность будет значительно лучше, чем у существующих систем с Pentium, PetiumPro или Pentium II. Да и очередное снижение цен на всё семейство Alpha — не за горами!