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微处理器领域 两套指令系统在厮杀

1998-08-11 来源:光明日报 陈幼松 我有话说

微处理器用作计算机的CPU,决定计算机的性能。它的更新换代意味着计算机的更新换代,它的革命也带来计算机领域的革命。

在微处理器领域80年代发生过一次RISC(精简指令系统计算)对CISC(复杂指令系统计算)结构的革命。导致了以客户机/服务器分散处理取代大型机集中处理的计算模式变化,引发了用个人机、工作站取代大型机的小机器化动向。它从根本上动摇了原有计算机产业的结构,使大型机不再唱主角,IBM也失去了昔日显赫的盟主地位。

现在微处理器领域又开始发生EPIC(显式并行指令计算)对RISC结构的革命,其实质是挖掘更多的并行性提高处理器的速度。虽然其后果一时还说不清楚,但其影响将是深刻的。

导致这场革命的是目前微处理器结构提高速度遇到障碍,而集成电路制造即将由0.25微米走向0.18微米,使一个芯片能集成2亿个晶体管(目前通常集成300万至500万个晶体管),因而有能力用各种功能单元来克服这一障碍。于是一种新的结构EPIC便应运而生。

目前,处理器基本上用两种方法提高速度。一是提高时钟频率,这种方法比较简单。通常随着制造微细化提高芯片集成度,时钟频率便可随之提高。二是使用流水线、超标量(多条流水线)等结构,利用并行执行多条指令来提高速度。但是这种方法效果不总是那么显著,其原因在于流水线的工作不总是饱满的。

为了使流水线工作饱满,现在采取三种措施:分支预测、风险执行、乱序执行。分支预测是在分支(转移)走向还未确定前,为了让流水线不空闲先预测其走向使其提前执行,因为预测可能出错,所以这种执行叫风险执行。一旦预测错了,必须冲洗执行错了的流水线,再进行正确的执行。为此就要付出损失时钟周期的代价。流水线越多,其上的工位越多,付出的代价也越大。乱序执行则是不拘泥于原来程序中的指令顺序,而是根据处理器中各类型运算单元的忙闲情况,改变原先指令执行顺序,使处理器饱满地工作。为此付出的代价是需要复杂的联锁电路和庞大的寄存器。

为了克服上述缺点,EPIC采取以下的措施:即利用ILP(指令层次并行性)和LIW/VLIW(长或极长指令字),使并行性变得清晰明确;用分支推断(predication)取代分支预测;进行风险装载;使用聪明的编译器。

IA—64(英特尔64位结构)是EPIC型结构,利用IA—64的第一个微处理器Merced(梅塞德)将于1999年下半年面世。据透露,它的性能将是现有处理器十倍以上,而三年后价格将降到和现有处理器差不多。由此可窥见EPIC影响的一斑。

据悉,英特尔将于2001年发表IA—64的第二个处理器,它的性能将是Merced的两倍。也许用不着到2004年,还会出现真正的第二代IA—64的微处理器。那时候,人们将能清楚地看到IA—64的真正威力,也就是EPIC的威力。

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