Alfa 21164 - Alpha 21164

The Alfa 21164, známý také pod krycím názvem, EV5, je mikroprocesor vyvinul a vyrobil Digital Equipment Corporation který implementoval Alfa architektura sady instrukcí (JE). To bylo představeno v lednu 1995, následovat Alfa 21064A jako vlajková loď mikroprocesoru společnosti Digital. To bylo následováno Alfa 21264 v roce 1998.
Dějiny
První křemík modelu Alpha 21164 byl vyroben v únoru 1994 a OpenVMS, Digitální UNIX a Windows NT operační systémy byly úspěšně zavedeny. Byl odebrán vzorek na konci roku 1994 a byl představen v lednu 1995 na 266 MHz. Verze 300 MHz byla představena v březnu 1995. Konečná verze Alpha 21164, verze 333 MHz, byla oznámena dne 2. října 1995 a byla k dispozici v množství vzorků. Alpha 21164 byl nahrazen Alpha 21164A jako vlajková loď mikroprocesoru společnosti Digital v roce 1996, kdy byla k dispozici verze 400 MHz v objemových množstvích.
Uživatelé
Digital používal Alpha 21164 pracující na různých frekvencích hodin v jejich AlphaServer servery, AlphaStation pracovní stanice. Digital také použil Alpha 21164 ve svých Alpha VME 5/352 a Alpha VME 5/480 jednodeskové počítače a AlphaPC 164 a AlphaPC 164LX základní desky. Alfa partner Cray Research použili 300 MHz Alpha 21164 v jejich T3E-600 superpočítač. Třetí strany, jako např DeskStation také postavil pracovní stanice pomocí Alpha 21164.
Výkon
Model 21164 pokračoval ve výkonu od 275 MHz Alfa 21064A až do zavedení Intel Pentium Pro v listopadu 1995, kdy verze 200 MHz překonala 300 MHz 21164 na platformě SPECint95_base srovnávací sada. Model 21164 si udržel svůj výkonnostní náskok s plovoucí desetinnou čárkou. 333 MHz 21164 představit následující rok překonal Pentium Pro, ale to bylo později překonáno MIPS Technologies R10000 a poté Hewlett Packard PA-8000 ve stejném roce.[1]
Popis
Alpha 21164 je čtyři vydání superskalární mikroprocesor schopný vydat maximálně čtyři instrukce na hodinový cyklus na čtyři popravní jednotky: dvě celé číslo a dva plovoucí bod. Celočíselné potrubí má sedm stupňů a potrubí s plovoucí desetinnou čárkou je deset stupňů. 21164 implementoval 43-bit virtuální adresa a 40-bit fyzická adresa. Bylo tedy schopné adresovat 8 TB z virtuální paměť a 1 TB z fyzická paměť.
Celá jednotka
Celá jednotka sestávala ze dvou celočíselných kanálů a celého čísla zaregistrovat soubor. Dva kanály, potrubí přidání a potrubí násobení nejsou totožné, každý z nich je zodpovědný za provádění různých pokynů, ačkoli oba jsou schopni provádět běžné pokyny pro přidání, logiku, načtení, porovnání a podmíněné přesunutí. Multiply pipeline výhradně provádí směny, ukládá a znásobuje instrukce (v nepipeline multiplikátoru). Přidávací kanál provádí výlučně pokyny větve.
Kromě instrukcí větvení, podmíněného pohybu a násobení všechny ostatní instrukce začínají a dokončují provádění během páté fáze pro latenci jednoho cyklu. Pokyny větve a podmíněného pohybu se provádějí během šesté fáze, aby jim bylo možné vydat instrukci porovnání, na jejichž výsledku závisí.
Soubor celočíselných registrů obsahoval čtyřicet 64bitových registrů, z nichž třicet dva jsou specifikovány architekturou Alpha a osm je použito pro PALcode jako paměť zápisníku. Soubor registru má čtyři porty pro čtení a dva porty pro zápis rovnoměrně rozdělené mezi dva celočíselné kanály.[2]
Jednotka s plovoucí desetinnou čárkou
Jednotka s plovoucí desetinnou čárkou se skládala ze dvou potrubí s plovoucí desetinnou čárkou a souboru registru s plovoucí desetinnou čárkou. Tyto dva kanály nejsou identické, jeden provedl všechny instrukce s plovoucí desetinnou čárkou s výjimkou příkazu multiply a druhý provedl pouze instrukce pro násobení. Oba potrubí mají čtyři etapy. Nepřipevněný dělič s plovoucí desetinnou čárkou je připojen k kanálu přidání. Všechny instrukce s plovoucí desetinnou čárkou s výjimkou dělení mají latenci čtyř cyklů. Divides mají proměnlivou latenci, která závisí na tom, zda se operace provádí singl nebo na dvojnásobná přesnost čísla s plovoucí desetinnou čárkou a čísla. Včetně režie mají jednotlivé přesné dělení latenci 15 až 31 cyklů, zatímco dvojité přesné dělení mají latenci 22 až 60 cyklů.
Mezipaměti
21164 má tři úrovně mezipaměti, dva on-die a jeden externí a volitelný. Mezipaměti a související logika se skládala ze 7,2 milionu tranzistorů.[3]
Primární mezipaměť je rozdělena do samostatných mezipamětí pro pokyny a data, označovaných jako I-cache a D-cache. Mají velikost 8 kB, přímo mapováno a mají velikost řádku mezipaměti 32 bajtů. D-cache je pro zvýšení výkonu duální portovaná a je implementována duplikováním mezipaměti dvakrát. Používá a přepis zásady zápisu a zásady přidělování při čtení.
Sekundární mezipaměť, známá jako S-cache, je on-die a má kapacitu 96 KB. Byla vyžadována sekundární mezipaměť on-die, protože 21164 vyžadovala větší šířku pásma, než mohla poskytnout externí sekundární mezipaměť, aby jí poskytla dostatek pokynů a dat.[4] Mezipaměť vyžadovala přístup dva cykly kvůli své velké ploše. Aby se zlepšil výkon, je mezipaměť pipeline. Další výhodou sekundární mezipaměti on-die bylo, že ji lze snadno implementovat jako vícecestnou mezipaměť, a výsledkem je mezipaměť třícestná nastavit asociativní, který nabízí lepší míru zásahu než přímo mapované mezipaměti.[5] S-cache byla kvůli velké požadované fyzické ploše implementována ve dvou polovinách, které lemují I-box, E-box, F-box a M-box. To bylo provedeno, aby mezipaměť mohla vrátit data ve dvou cyklech.
Terciární mezipaměť, známá jako B-cache, je implementována pomocí externích SRAM. B-cache byla volitelná a některé systémy používající Alpha 21164 žádné neměly. B-cache mohla mít kapacitu 1 až 64 MB, menší kapacity nebyly podporovány, protože byly díky on-die S-cache zbytečné.[6] Je přímo mapován, používá a odepsat zásady zápisu a zásady přidělování při zápisu. B-cache je řízena logikou externího rozhraní on-die, na rozdíl od 21064, která vyžadovala externí řadič cache. Mezipaměť B by mohla být vytvořena pomocí asynchronních nebo synchronních SRAM. B-cache je přístupná přes systémovou sběrnici.
Externí rozhraní

Externí rozhraní je 128bitová systémová sběrnice. Systémová sběrnice pracuje na hodinové frekvenci, která je 3 až 15krát nižší než vnitřní taktovací frekvence, nebo 20 až 100 MHz s vnitřní taktovací frekvencí 300 MHz. Hodinový signál systémové sběrnice je generován mikroprocesorem.
Hodiny
Interní hodinová frekvence je generována dělením externího hodinového signálu dvěma. Alpha 21164 proto vyžaduje externí hodinový signál 600 MHz pro 300 MHz Alpha 21164.
Výroba
Alpha 21164 obsahuje 9,3 milionu tranzistorů na a zemřít měřící 16,5 x 18,1 mm (299 mm2), který se blížil maximálním limitům procesu. Zemřít byla vymyslel v páté generaci Digital Komplementární polovodič oxidu kovu (CMOS) proces, CMOS-5, proces 0,50 μm se čtyřmi úrovněmi hliníkové propojení.[7] 21164 používal 3,3-volt (V) napájení. Rozptýlilo se 46 W na 266 MHz, 51 W na 300 MHz, 56 W na 333 MHz.
Balík
Alpha 21164 je zabalen do 499kolíkové keramické vsunuté reklamy pole mřížky kolíků (IPGA) o rozměrech 57,40 x 57,40 mm. Balíček měl a rozdělovač tepla se dvěma cvočky, ke kterým chladič byl přišroubován.
Deriváty
Alpha 21164 (EV56)

Alpha 21164 byla základem dalšího vývoje s krycím názvem EV56. To bylo představeno jako Alpha 21164, ale bylo původně známé jako Alfa 21164A. Fungovalo na taktovacích frekvencích 366, 433, 500, 533, 600 a 666 MHz.[8][9]
Dějiny
Poprvé to bylo popsáno v říjnu 1995 na fóru pro mikroprocesory. Dne 13. listopadu 1995 společnost Digital oznámila, že vzorky budou odeslány později v měsíci. První verze, pracující na 366 MHz, byla představena v roce 1996. Dne 8. července 1996 společnost Digital oznámila, že je k dispozici verze 433 MHz a verze 500 MHz odebírá vzorky s objemovým množstvím splatným v září 1996. Cena verze 433 MHz byla stanovena na 1 492 $ za jednotku v množství 1 000. Verze 600 MHz byla představena 31. března 1997 a dodávala se v objemových množstvích. Samsung Electronics podepsal smlouvu s Digital v červnu 1996 na druhý zdroj Alpha 21164A a společnost jako jediná vyrobila model 666 MHz. 11. listopadu 1996 bylo představeno 366 až 500 MHz vzorků s dostupností objemu v roce 1997. Alpha 21164A byla vyrobena v Digital's Hudson, Massachusetts a Samsung Kihueng, Jižní Korea výrobní závody.
Uživatelé modelu Alpha 21164A zahrnovali Cray Research, Digital, Síťové zařízení (nyní NetApp) a DeskStation. Cray Research použil 450, 600 a 675 MHz Alpha 21164As v pozdějších modelech T3E superpočítač. Digital používal Alpha 21164A pracující na různých frekvencích hodin v jejich AlphaServers, AlphaStations, Pracovní stanice Celebris XL a Digitální osobní pracovní stanice. NetApp ve svých aplikacích používal 400, 500 a 600 MHz Alpha 21164As skladovací systémy. DeskStation používala Alpha 21164A ve svých pracovních stanicích Raptor Reflex.
Popis
Nejvýznamnější změnou bylo zahrnutí rozšíření Byte Word Extensions (BWX), rozšíření architektury Alpha navržené ke zlepšení přístupu bajtů a slov. Tyto pokyny jsou prováděny potrubím násobení. Alpha 21164A obsahovala 9,66 milionu tranzistorů na matrici o rozměrech 14,4 mm x 14,5 mm, pro plochu matrice 209 mm2.[10] Společnost Digital vyrobila matrici v procesu CMOS šesté generace CMOS-6, což je proces 0,35 μm se čtyřmi propojenými vrstvami. Společnost Samsung vyrobila matrici v procesu 0,35 μm se čtyřmi vrstvami propojení na základě procesu 0,3 μm, který vyvinuli počátkem roku 1996. Alpha 21164A použila napájecí zdroj 3,3 V, rozptylující 31,0 W při 366 MHz, 36,0 W při 433 MHz, 41,0 W na 500 MHz, 43,5 W na 533 MHz a 48,5 W na 600 MHz.
Alpha 21164PC (PCA56)
The Alfa 21164PC, také známý jako PCA56, je nízkonákladová verze Alpha 21164A představená 17. března 1997. Mikroprocesor byl vyvinut společností Digital and Mitsubishi Electric Corporation, a obě společnosti vytvořily design. Společnost Mitsubishi později pozastavila dohodu o společném vývoji budoucích mikroprocesorů Alpha se společností Digital na začátku roku 1998 a přestala vyrábět Alpha 21164PC v polovině roku 1998, opustila trh Alpha kvůli ekonomickým podmínkám na trzích společnosti.[11][12]
Alpha 21164PC pracoval na taktovacích frekvencích 400, 466 a 533 MHz. Mezi hlavní změny patří vynechání S-cache, větší I-cache a zahrnutí Motion Video Instructions (MVI), rozšíření Alpha Architecture, které představilo jedna instrukce více dat (SIMD) pokyny pro zlepšení výkonu MPEG kódování. S-cache byla odstraněna, aby se snížil počet tranzistorů, což snížilo velikost matrice a následně cenu. Kapacita I-cache byla zdvojnásobena na 16 KB z 8 KB, aby se vyrovnal nedostatek S-cache, protože Alpha 21164 spoléhala na S-cache, aby doplnila I-cache, aby poskytla dostatečnou šířku pásma k dosažení adekvátního výkonu . Množství B-cache bylo omezeno na 512 KB až 4 MB, podporovány byly také kapacity 1 a 2 MB. Mikroprocesor používá 43bitovou virtuální adresu a 33bitovou fyzickou adresu.
Alpha 21164PC obsahovala 3,5 milionu tranzistorů na matrici o rozměrech 8,65 x 16,28 mm, pro plochu matrice 141 mm2. Digital vyrobil matrici stejným způsobem jako Alpha 21164, CMOS-5. Alpha 21164PC byl zabalen do 413kolíkového IPGA o rozměrech 49,78 x 49,78 mm. Používal napájecí zdroj 3,3 V, rozptylující 26,5 W při 400 MHz, 30,5 W při 466 MHz a 35,0 W při 533 MHz.
Alpha 21164PC byla společností Digital použita na základní desce AlphaPC 164SX.
Alpha 21164PC (PCA57)
Derivát PCA56, PCA57 byl navržen a vyroben společností Samsung Electronics v procesu 0,28 μm CMOS. PCA57 byl představen koncem roku 1998 a pracoval na taktovacích frekvencích 533, 600 a 666 MHz. Vylepšení mikroarchitektury PCA56 zahrnovala zdvojnásobenou kapacitu I-cache a D-cache: 32 kB, respektive 16 kB. PCA57 obsahoval 5,7 milionu tranzistorů na matrici o rozměrech 6,7 mm x 15 mm, pro plochu matrice 101 mm2. Pracovala na 2,5 V napájecím zdroji a rozptýlila 18 W na 533 MHz, 20 W na 600 MHz a 23 W na 666 MHz.
PCA57 byl používán společností Digital ve své základní desce AlphaPC 164RX.
Čipové sady
Společnost Digital and VLSI Technology vyvinula čipové sady pro model 21164 a jeho deriváty. Digital také vyvinul zvyk aplikačně specifický integrovaný obvod (ASIC) pro použití v jejich špičkových modelech AlphaServer rodiny jako AlphaServer 8200 a 8400.
21171
21171, také známý jako Alcor, byl první čipset pro 21164, představený v lednu 1995 spolu s podporovaným mikroprocesorem. Byl vyvinut a vyroben společností Digital. 21171 je upgradován DECchip 21071 upraveno tak, aby podporovalo nový protokol systémové sběrnice, který používá 21164. Skládal se z kontrolního čipu, který obsahoval Paměť a Řadiče PCI a čtyři čipy datových segmentů, které propojovaly 256bitové rozhraní paměťová sběrnice a PCI sběrnice na systémovou sběrnici. 21171 poskytuje 64bitovou sběrnici PCI, která běží na 33 MHz.
21172
21172, také známý jako Alcor2, byl aktualizovaný 21171, který podporoval 21164A.
Pyxis
Čipová sada Pyxis, známá také jako 21174, podporovala mikroprocesory 21164A a 21164PC. Na rozdíl od předchozích čipsetů byl navržen pro levné systémy. Výsledkem bylo jednočipové provedení zabalené do kontaktu 474 pole mřížky z keramické koule (CBGA) namísto více balíčků.[13] Následně byl použit v nákladově citlivých aplikacích, jako jsou základní pracovní stanice (Digitální osobní pracovní stanice řady A. ) a základní desky, jako jsou AlphaPC 164LX a 164SX. Když byl představen, cena modelu 21174 byla 142 USD v množství 1 000.[14]
21174 obsahuje řadič paměti a řadič PCI. Řadič paměti podporoval až 512 MB synchronní dynamická paměť s náhodným přístupem (SDRAM) a přistupuje k němu přes 128 bitů paměťová sběrnice. Paměť může být chráněna buď ECC, nebo paritou. Řadič PCI poskytl a PCI nebo PCI-X autobus.
Polaris
Polaris je systémový řadič vyvinutý společností Technologie VLSI pro osobní počítače, které podporují mikroprocesory 21164A a 21164PC. Společnost Polaris byla vyhlášena 16. června 1997.[15] Podporuje až 768 MB EDO DRAM nebo až 512 MB SDRAM. Do paměti se přistupuje prostřednictvím 128bitové sběrnice. Poskytuje 32bitový, 33 MHz PCI sběrnice pro I / O.
Uživatelé Polaris zahrnovali Digital pro jeho základní desku AlphaPC 164RX.
Viz také
- AlphaVM: Plný DEC Alpha systémový emulátor běžící na Windows nebo Linux. Obsahuje vysoce výkonný emulátor CPU Alpha.
Poznámky
- ^ Gwennap 1996
- ^ Bowhill a kol., „Okruhová implementace 300MHz 64bitového procesoru CMOS Alpha druhé generace“, str. 124.
- ^ Bowhill a kol., „Okruhová implementace 300MHz 64bitového procesoru CMOS Alpha druhé generace“, str. 111.
- ^ Gwennap, „Digital vede balíček s 21164“, str. 1.
- ^ Gwennap, „Digital vede balíček s 21164“, s. 1–2.
- ^ Gwennap, "Digital vede balíček s 21164".
- ^ Bowhill a kol., „Okruhová implementace 300MHz 64bitového procesoru CMOS Alpha druhé generace“, str. 100–101.
- ^ Datový list mikroprocesoru Alpha 21164, srpen 1998, str. 113.
- ^ Stručný popis produktu Digital Semiconductor 21164 Alpha Microprocessor, 31. března 1997, str. 2.
- ^ Bouchard, „Designové cíle mikroprocesoru Alpha 21164 0,35 μm“, str. 3, 5.
- ^ Foremski, „Mitsubishi ustupuje z Alfa“.
- ^ Foremski, „Mitsubishi Electric zastavuje výrobu mikroprocesorů Alpha“.
- ^ Schumann 1997
- ^ Gwennap 1997
- ^ Technologie VLSI 1997
Reference
- Bouchard, Gregg. „Designové cíle mikroprocesoru Alpha 21164 0,35 μm“. Sympozium IEEE Hot Chips, srpen 1996, IEEE Computer Society.
- Bowhill, William J. a kol. (1995). „Circuit Implementation of a 300-MHz 64-bit Second-generation CMOS Alpha CPU“. Digitální technický deník, Svazek 7, číslo 1, str. 100–118.
- Edmondson, John H. a kol. (1995). „Internal Organization of the Alpha 21164, a 300-MHz 64-bit Quad-issue CMOS RISC Microprocessor“. Digitální technický deník, Svazek 7, číslo 1, 1995. str. 119–135.
- Edmondson, John H. a kol. (1995). "Superskalární provedení instrukcí v mikroprocesoru Alpha 21164". IEEE Micro. 33–43.
- Foremski, Tom (10. února 1998). „Mitsubishi ustupuje z Alfa“. Týdenní elektronika.
- Foremski, Tom (10. července 1998). „Mitsubishi Electric zastavuje výrobu mikroprocesoru Alpha“. Týdenní elektronika.
- Gwennap, Linley (12. září 1994). "Digital vede balíček s 21164". Zpráva mikroprocesoru, Svazek 8, číslo 12.
- Gwennap, Linley (8. července 1996). „Digital's 21164 Reaches 500 MHz“. Zpráva mikroprocesoru, Svazek 10, číslo 9.
- Gwennap, Linley (31. března 1997). „Digital 21164PC zaměřený na PC Market“. Zpráva mikroprocesoru, Svazek 11, číslo 4.
- Ryan, Bob (říjen 1994). "Alfa jezdí vysoko". Byte.
- Samsung Semiconductor, Inc. (11. listopadu 1996). "Samsung představuje 500MHz Alpha 21164 mikroprocesor; První produkt výsledkem licenční smlouvy Digital / Samsung zahájil masovou výrobu do 2. čtvrtletí 1997 ". Tisková zpráva.
- Schumann, Reinhard C. (1997). „Návrh paměťového řadiče 21174 pro digitální osobní pracovní stanice“. Digitální technický deník 9 (2): 57–70.
- Technologie VLSI (16. června 1997). „Polaris, nový řadič systému Alpha společnosti VLSI, porušuje bariéru přenosu paměti Gigabyte / Second. Koncoví uživatelé získávají plný výkon v systémech Alpha.“ Tisková zpráva.
Další čtení
- Bannon, P., Saito, Y. (1997). „Mikroprocesor Alpha 21164PC“. Sborník konference Compcon '97, s. 20–27.
- Bhandarkar, Dileep P. (1995). Alpha Architecture and Implementations. Digitální tisk.
- Carlson, D. a kol. (1998). Msgstr "Mikroprocesor RISC 667 MHz obsahující celočíselný multiplikátor 6,0 ns 64 b". Přehled technických dokumentů ISSCC, str. 294–295.
- Carlson, D.A.; Castelino, R.W .; Mueller, R.O. (Listopad 1997). „Multimediální rozšíření pro mikroprocesor RISC 550 MHz“. IEEE Journal of Solid-State Circuits 32 (11): str. 1618–1624.
- Jain, A.K. et al. (1997). "1,38 cm2 Mikroprocesor 550 MHz s multimediálními rozšířeními ". Přehled technických dokumentů ISSCC, str. 174–175, 451.
- Gronowski, Paul E. a kol. (Květen 1998). "Vysoce výkonný design mikroprocesoru". IEEE Journal of Solid-State Circuits 33 (5): str. 676–686.
- Kobayashi, S. a kol. (1997). „Mikroprocesor Alpha 550 MHz zaměřený na aplikace na PC“. Proceedings of the 1997 International Symposium on VLSI Technology, Systems, and Applications, str. 203–207.