Материал опубликован - 07/07/2001

В тесном сообществе микропроцессорных производителей живут две очень амбициозные компании, имена которых ни на день не пропадают из заголовков компьютерных новостей в течении последних нескольких лет. Это Интел и AMD. До того как AMD выпустила свой Athlon, который долгое время носил кодовое название 'K7', о возможности превалирования AMD над Интел даже и речи быть не могло. Компания, конечно, улучшила свои позиции в индустрии микропроцессоров для настольных систем, но все находится на несколько шагов позади Интел.

Кроме развития собственных производственных линий, производства процессоров с архитектурой IA-32 x86, подготовкой выхода Pentium 4 и т.д., Интел долгое время готовился к первому шагу в сторону 64-битной архитектуры, IA-64. Используя эту архитектуру, Интел обещает освобождение от тесных рамок IA-32, в которые были втиснуты все процессоры в течении двух десятилетий. Однако возникает проблема в обратной совместимости нового поколения IA-64 с приложениями IA-32. Интел в решении этого вопроса полностью полагается на программную эмуляцию.

AMD пошли совершенно другим путем, расширяя 32-битную архитектуру до 64-битной, получив то, что они назвали x86-64. Преимущества такого подхода ясны - Вам не придется приносить в жертву свои 32-х разрядные программы. На этой технологии основан новый процессор AMD - K8, имеющий кодовой название SledgeHammer.

А нужны ли 64-разрядные процессоры?

Прежде чем начать обсуждение архитектуры AMD x86-64 и сравнение ее с конкурирующими решениями, давайте вкратце рассмотрим необходимость существования 64-разрядных процессоров.

Эволюция микропроцессоров идет по довольно простому пути. Самые мощные технологические решения, как правило, не нужны рядовому пользователю. Основными потребителями процессоров с 64-разрядной архитектурой могут стать те, кому тесно в рамках 32-х разрядов. Самым лучшим высказыванием в пользу необходимости 64-разрядной архитектуры отличился Интел: "…нам необходим Itanium, чтобы дать путевку в жизнь процессорам нового поколения". Правдой же является то, что процессоры становятся все сложнее, число транзисторов в них неуклонно растет, и обращение к 64-разрядной архитектуре может помочь инженерам Интела и AMD в новых разработках.

Понятно, что механические CAD (MCAD), использующиеся при проектировании автомобилей, спутников, комплексных объектов нуждаются в 64-разрядном процессоре, так же как и особо большие базы данных, которые извлекут пользу из использования большей зоны памяти благодаря 64-битной адресации. Так же есть приложения, способные извлечь пользу из вычислений 64-битных целых чисел без разбиения их на части. Например программы защиты данных и обработки шифрования. AMD и Интел приводят и другие аргументы в пользу 64-битной архитектуры.

Помните, когда 4Mb RAM, были неприлично большим объемом оперативной памяти? Скоро наступит время, когда и 4GB будут обычным делом, а компьютер на базе 64-разрядного процессора превратится в неотъемлемую часть каждого дома.

К чему приводят амбиции: x86-64 против IA-64

AMD сейчас находятся в довольно интересном положении. Они недостаточно велики, чтобы потеснить Интел, и достаточно уважаемы на рынке, чтобы предложить новый путь развития индустрии. Взгляд AMD на технологию перехода к 64-битной архитектуре коренным образом отличается от интеловского. Это уже не соревнование между двумя компаниями, это два различных пути развития.

Подход Интела к переходу на 64-битную архитектуру прост. Они продолжают производство существующей линейки процессоров IA-32 - Celeron, Pentium III - и выпускают на рынок Pentium 4 для тех, кому необходима высокая производительность. По их предположениям обычному пользователю не нужна 64-битная архитектура (по крайней мере в ближайшие пару лет). А для того небольшого сектора рынка, который действительно нуждается в 64-разрядном процессоре, Интел и будет выпускать свой Itanium.

Что плохо, так это то, что если Вам необходимо использовать 32-разрядные приложения совместно с 64-разрядными, и Вы хотите максимальной производительности, то Вам придется иметь и Pentium 4 и Itanium.

Подход AMD к данному вопросу кардинально отличается от интеловского. Или работать с архитектурой IA-64 и как всегда плестись следом за Интелом или попытаться с ним конкурировать, разработав собственную 64-разрядную архитектуру.

Но AMD не могли создать свою новую архитектуру на пустом месте, и они сделали то же, что и Интел 15 лет назад, когда произошел переход от архитектуры 16-bit x86 к 32-bit x86. То есть AMD расширили существующую 32-bit x86 и то, что получилось назвали x86-64.

Этот подход дает вполне конкретные преимущества, Вы получаете лучшую производительность 32-bit x86, какую только может предложить AMD, и при этом совместимость с 64-разрядным кодом, и все в одном ядре. С x86-64 Вы получаете все преимущества 64-битной архитектуры и полную совместимость с x86 без потери производительности. Это как раз то же самое, что Интел проделали с их 386 около 15 лет назад, именно так поступает AMD сегодня со своим K8.

Конечно, и отрицательные стороны при таком подходе существуют. AMD придется тащить весь старый багаж x86 ISA, что не может ни сказаться на производительности. Однако AMD считают, что это не сильно повредит новому процессору, и что "производительность имеет меньшее отношение к набору инструкций, чем к процессу исполнения".

Как работает x86-64.

AMD уже опубликовали материал по архитектуре x86-64, позволяющий программистам начать разработки обеспечения для этой платформы. 64-битное расширение набора инструкций x86 добавляет существенное количество новшеств в 32-bit x86. Самым главным является наличие 8 новых регистров общего назначения шириной 64 бита, 64-битный способ адресации памяти и, конечно, 64-битные регистры и указатель команд.

В дополнение к 8 новым регистрам общего назначения (GPR), архитектура x86-64 расширяет существующие регистры до 64 бит, как в свое время i386 расширила 16-битные регистры до 32 бит. Это сделано при помощи добавления префикса REX, например регистр RAX - это 64-разрядная версия регистра EAX. Значение функции ADD с префиксом будет 64-битным эквивалентом 32-битной функции.

Архитектура x86-64 поддерживает два рабочих режима, legacy mode (режим совместимости или, более буквально, наследственный режим), который позволяет работать с существующими 16/32-битными операционными системами и приложениями, и новый режим, который AMD назвали long mode (длинный режим), который, в свою очередь, разбит на еще два режима, оба из которых требуют 64-разрядной операционной системы. В 64-разрядном режиме Вы получаете все преимущества 64-битной архитектуры, т.е. можете исполнять 64-разрядные приложения в 64-разрядной операционной системе.

В то же самое время архитектура поддерживает и режим совместимости, в котором Вы можете исполнять 32-битные приложения в 64-разрядной операционной системе.

Это, конечно, крайне упрощенный взгляд на архитектуру x86-64, он AMD выпустила подробную документацию по ней, и если Вам необходимы дополнительные сведения, Вы можете их найти.

AMD K8

Теперь пора поговорить о аппаратной части. AMD не сообщает никаких подробностей о своем SledgeHammer, первом процессоре с архитектурой x86-64.

Итак до конца года мы не увидим SledgeHammer, он появится только где то в следующем году. Пока AMD в достаточной степени заняты попытками выпустить до конца года Mustang. Впрочем, если у них это и не получится, ничего страшного не произойдет, т.к. Thunderbird продвигается на рынок достаточно хорошо, а интеловский Pentium 4 раньше начала 2001 года не появится.

Так что сколько бы слухов вокруг SledgeHammer не ходило, но раньше следующего года AMD его не выпустит.

Подобно ядру Athlon, будет иметься много вариантов ядра K8. Наиболее вероятные вариации, основанные на размере кэша, частоте ядра и, возможно даже, частоте FSB, позволят архитектуре x86-64 не спеша продвигаться от бизнес приложений на самый широкий потребительский рынок.

Единственной проблемой на сегодняшний день остается чипсет для K8. На сегодняшний день самым крупным производителем чипсетов для процессоров является VIA, однако в настоящее время у VIA нет разработок чипсета для K8. Два других производителя чипсетов - ALi и SiS - не обладают такими мощностями, как VIA, и не способны сейчас разработать и выпустить такой чипсет, так что эту проблему AMD придется решать самостоятельно.

Разработка и производство чипсетов для high-end процессоров - дело не легкое, и AMD придется куда как труднее, чем при разработке их 750 чипсета.

Заключение.

Архитектура AMD x86-64 - очень интересный подход к переходу на 64-разрядные вычисления, и еще слишком рано, чтобы решать судьбу этой архитектуры. Основным в ней является совместимость с целью облегчить переход, почему она и является всего лишь расширением существующей архитектуры. Как говорят представители AMD, "[x86-64] расширяет существующие механизмы, вместо создания новых".

С появлением публичной документации на эту архитектуру, не понадобится много времени для того, чтобы вновь вспыхнули дебаты на тему, что же лучше, x86-64 или IA-64. Способствует AMD прогрессу или тянет промышленность назад, оставляя жизнь x86 ISA?

Время покажет…

Статья опубликована с разрешения наших друзей и коллег с сайта PC Impulse.

Anand Lal Shimpi www.anandtech.com