Josef Jurák

xjurak@fi.muni.cz

 

 

Historie, současnost a trendy 64bit procesorů a architektur.

 

 

Co je to 64 bitová architektura?

64 bitová (zkráceně 64bit) architektura je systém který lze charakterizovat tím, že dokáže zpracovávat informace o šířce 64 bitů, tento popis je však velmi zjednodušen. Její nejpodstatnější součástí je 64bit procesor. Hlavni výhodou, v podstatě taky jedinou, takovéhoto systému je možnost adresovat mnohem vetší množství paměti než u dnes běžně dostupných 32bit systémů. Dnešní 32bit systémy mohou adresovat (tedy používat) pouze 4GB operační paměti, navíc operační systémy využívají adresový prostor i dalším účelům, takže většinou můžeme použít např. pouze 2GB paměti. I když v počítači je fyzicky paměti méně, neznamená že se nevyužívá, omezení 2 až 4GB je na adresovatelnou paměť, tedy i tu která je odložena na pevném disku. Vzhledem k tomu že dnes i běžné domácí počítače se dodávají někdy i s více než 512MB paměti, a u serverů je dnes 1GB opravdu minimem, začíná byt 32bitů velmi omezujících. Právě proto existuji 64bit procesory a architektury, které dokáží adresovat dostatečné množství paměti. Zásadní nevýhodou je nemožnost, nebo omezena možnost provozovat 32bit aplikace.

64bit procesor, nese označení „64bit“ podle skutečné šířky integer registru (používaného pro adresaci paměti). Někdy se mylně označuje podle šířky obecně registru, nebo podle šířky adresové či datové sběrnice.

 

 

Proč 64bit – výhody a nevýhody.

Hlavní výhodou 64bit procesoru je velký adresovatelný prostor, 64bity lze adresovat až 10 milionů terabajtu, což umožní provoz i těch nejnáročnějších aplikaci, a i v daleké budoucnosti. Spolu s větším adresovatelným prostorem, se nabízí a další využití, jako např. přímé mapování souboru do paměti, apod. Další výhodou je možnost použit 64bit aritmetiky, je to ale spíše jen malá výhoda, v praxi se ji příliš nevyžívá, ale ji lepe nahradit technologiemi SMID. Další nepřímou výhodou je skutečnost, že 64bit procesory vznikali mnohem později než jejich 16/32bit předchůdci (někdy až s rozdílem 20 let), a tedy 64bit procesory mají většinou mnohem modernější a lepší architekturu (asi nejmarkantnější rozdíl mezi IA32(x86) a IA64).

Nevýhody z technické hlediska nejsou snad žádné, nebo drobné jako větší kompilovaný kód. Další nevýhody jsou dány použitím, a mají spíše obchodní charakter, jsou to cena, špatná kompatibilita s 32bit systémy, a určitá roztříštěnost 64bit architektur.

 

 

64bit domů?

Ano, ale nelze přepokládat že to bude vhodné dříve než za 5 až 10 let. Překáží zatím příliš vysoká cena, a nedostupnost 64bit aplikaci. Navíc v současné době je 32bit pro domácí použití plně dostačující.

 

 

 

64bit architektury:

 

Digital Alpha

Procesory Alpha, byli od začátku vyvíjené jako 64bit, tedy neměly žádné předchůdce. První procesor Alpha 21064 byl představen v roce 1992, a byl to tedy jeden z prvních 64bit procesoru. Dále následoval procesor Alpha 21164, a nejnovější Alpha 21264 a 21364. Diky velmi kvalitnímu a modernímu návrhu jsou procesory Alpha řazeny mezi nejkvalitnější a nejrychlejší procesory. Bohužel finanční problémy Digitalu vedly k tomu že byl pohlcen firmou Compaq, následně tuto divizi odkoupil Intel. Po spojení Compaqu a HP se dnes prodávají procesory Alpha pod značkou HP.

 

MIPS

Ve stejném roce uvedlo MIPS Technologies 64bit procesor R4000. Postupně následovali procesory R4400, R4600, R5000, R8000, R10000, R12000, a dnešní R14000 a R16000.

Procesory MIPS nejčastěji nalezneme v počítačích SGI. Procesory MIPS jsou známé svou velmi nízkou spotřebou (mají nejlepší poměr výkon/watt). Po strance výkonové však už příliš nekonkurují, a patří mezi nejpomalejší procesory.

 

Sun SPARC64

Procesor SPARC64 byl uveden v roce 1995, a následován procesory UltraSPARC I, UltraSPARC II a UltraSPARC III. Společnost Sun architekturu SPARC64 licencuje dalším firmám, a tedy krom vlastni řady Sun UltraSPARC, se můžeme setkat např. s Fujitsu SPARC64 GP a SPARC64 V. Procesory SPARC64, momentálně nepatří k nejmodernějším, a ani k nejrychlejším.

 

HP PA-RISC

V roce 1996 byl uveden 64bit procesor HP PA-8000. Postupně pak PA-8200, PA-8500, PA-8600 a PA-8700. Procesory PA-RISC podobně jako SPARC64, nepatří k nejmodernějším, a ani k nejrychlejším.

 

IBM Power

Prvním 64bit procesorem od IBM byl PowerPC 620 v roce 1995, byl vyvinut ve spolupráci s Motorovou a Applem (podobně jako všechny PowerPC procesory), tento procesor však byl příliš pomalý a na trhu se neujal. V roce 1998 ho IBM použila jako zaklad pro nový 64bit procesor Power3 (prodáván taky jako PowerPC 630). Následně IBM uvedlo procesory RS64-I, Power3-II a RS64-II. IBM měla současně dvě řady 64bit procesoru (RS64 a Power3), odlišené podle použití, následně je ale sjednotila do zatím posledního procesoru Power4. Zvláštností procesoru Power4 je že obsahuje dvě jádra, tedy v případě jedno kusu procesoru se jedná o 2way SMP.

 

Intel IA-64

Zcela nová a moderní architektura, byla vyvinuta za spolupráce firem Intel, HP, a částečně taky divize Alphy. Je založena na architekturách VLIW a EPIC. První procesor Itanium byl uveden v roce 2001, následně v roce 2002 je uveden procesor Itanium2. Procesory Itanium2 a obecně architektura IA-64 je považována za jedno z nejkvalitnějších a nejrychlejších řešení.

 

AMD x86-64

Architekturu x86-64 nelze považovat za plnohodnotnou 64bit architekturu, ale spíše jen jako nějaké rozšíření 32bit architektury. Architektura x86-64 hodně zaostává za architekturami jako Digital Alpha, IBM Power či Intel IA-64. Velkou výhodou je zpětná kompatibilita s x86 architekturou. První procesory x86-64 by měli být uvedeny v roce 2003.

 

 

 

Srovnání dnes dostupných 64bit procesoru ve výkonu SpecCPU2000 (SpecINT a SpecFP) a základních parametrů procesoru:

 

Procesor

SpecINT

SpecFP

Frekvence

Cache

Technologie

Ztrátový výkon

Poznámka

AMD Opteron 240

820

765

1400 MHz

128kB L1, 1MB on chip L2

0.13

?

1

Fujitsu SPARC64 V

858

1228

1350 MHz

256kB L1, 2MB on chip L2

0.13

50W

 

HP Alpha 21264C

678

985

1000 MHz

128kB L1, 8MB off chip L2

0.18

65W

 

HP Alpha 21364

877

1482

1150 MHz

128kB L1, 1.75MB on chip L2

0.18

155W

 

HP PA-8700+

678

674

875 MHz

2.25MB L1, 1MB on chip L2

0.18

?

 

IBM Power4+

910

1158

1450 MHz

96kB L1, 1.5MB L2, 8MB off chip L3

0.13

?

2

Intel Itanium 2

810

1431

1000 MHz

32kB L1, 256kB L2, 3MB on chip L3

0.18

130W

 

Intel Pentium 4

1107

1091

3000 MHz

20kB L1, 512kB on chip L2

0.13

?

3

SGI MIPS R14000A

483

495

600 MHz

64kB L1, 4MB off chip L2

0.13

17W

 

Sun UltraSPARC III Cu

610

827

1050 MHz

96kB L1, 8MB off chip L2

0.15

75W

 

 

1)       pouze orientační hodnoty, procesor ještě není dostupný

2)       procesor obsahuje 2 jádra

3)       32bit, uvedeno jen pro srovnaní

 

 

 

Srovnání 64bit architektur, podporovaných operačních systému, a výrobců 64bit počítačů:

 

Platforma

Současné podporované OS

Hlavní výrobci 64bit systémů

AMD x86-64

Linux*

-

Digital Alpha

Tru64 v5.1, Linux*

HP

HP PA-RISC v2

HP-UX 11i, Linux*

HP

IBM Power4

AIX 5L v5.1, Linux*

IBM, Bull

Intel IA64

MS Windows XP, Windows 2000 Server LE, Windows Server 2003, HP-UX 11i, Linux*

HP, SGI, IBM, UniSys, Bull, Dell, NEC

MIPS III

IRIX 6.5, Linux*

SGI

Sun SPARC v8

Solaris 9, Linux*

Sun, Fujitsu

 

Linux* - běžně dostupné distribuce, nebo distribuce daného výrobce systému.

 

 

Budoucnost?

Po technologické strance, asi už nic převratného, zřejmě se objeví 64bit procesory s podporou multi-threadingu, a taky multi-core procesory (u Itania v nejbližší době až 4-core procesory). Z obchodního hlediska, je to už zajímavější. Především bylo oznámeno ukončení vývoje architektur PA-RISC a Alpha (zřejmě PA-8800 a 21364B budou poslední), které budou nahrazovány architekturou IA-64. Podobný osud nejspíše čeká i MIPS, protože dnes výkonově nedostačují, navíc SGI už dnes své nejvýkonnější servery staví na architektuře IA-64. Nejlépe na tom není ani architektura SPARC64. Navíc i IBM ohlásilo že vedle svých serverů založených na Power4, bude nabízet řešení na bazi IA-64.

Je tedy snaha sjednotit 64bit platformy do co nejmenšího počtu, což umožní mnohem širší nasazení, a v konečném důsledku především snížení ceny.

 

 

 

 

Reference:

http://www.geek.com/procspec/procspec.htm

http://www.spec.org/