Alpha: история в фактах и комментариях, Автор: Павел Болотов Опции

[SuperMax]

Dig my grave both long and narrow
Make my coffin neat and strong
(из старой американской песни)

Вступление

Данный труд открывает цикл статей, посвящённых процессорам и архитектуре Alpha, а также многому с ними связанному. Цикл, потому что изложение всего имеющегося материала в виде одного обзора показалось автору довольно проблематичным и неуместным. К тому же, открываемая тема является действительно многогранной и во многих аспектах фундаментальной, не имеющей прецедентов в плане полноты и масштабности изложения, поэтому вполне заслуживает пристального и подробного рассмотрения. Возможно, эта и последующие статьи смотрелись бы более уместно лет 5 назад, когда Alpha-процессоры ставили очередные рекорды производительности и масштабируемости, a их будущее ожидалось совсем не таким, каким оно выглядит с точки зрения дня сегодняшнего. Однако, именно в наше время можно уверенно подвести финальную черту под этой сагой, посвященной одной из самых интересных и перспективных компьютерных архитектур.

Эта статья является, в значительной мере, историческим очерком с элементами анализа, поэтому её следует рассматривать именно в этом аспекте. В целом, она не претендует на универсальность, хотя и содержит значительное количество справочной информации. С другой стороны, рассматривать её как некролог или надгробную молитву также явно не стоит...

[SuperMax]

Часть 2. Проект PRISM

В начале 1980-х DEC была на вершине финансового могущества, в значительной мере благодаря стабильно растущим объемам поставок VAX'ов. Однако ничто не вечно, и было очевидно, что в своё время и VAX придется уйти с рынка, как это уже происходило с PDP-11. В то время многие компании начали обращать внимание на перспективные разработки в среде RISC, и DEC явно не желала остаться в стороне. С 1982 по 1985 в составе компании активно работали несколько подразделений, занимавшихся исследованиями в области RISC:

Titan, высокоскоростной дизайн от Западной исследовательской лаборатории (Western Research Laboratory, DECwest) в Пало-Альто (Калифорния), под руководством Фореста Бэскетта (Forest Baskett), с 1982;
SAFE (Streamline Architecture for Fast Execution), под руководством Алана Котока (Alan Kotok) и Дэвида Орбица (David Orbits), с 1983;
HR-32 (Hudson RISC 32-bit), при фабрике DEC в Хадсоне (Массачусетс), под руководством Ричарда Витека (Richard Witek) и Дэниела Добберпуля (Daniel Dobberpuhl), с 1984;
CASCADE Дэвида Катлера (David Cutler) в Сиэттле (Вашингтон), с 1984.

В 1985, с подачи Катлера насчёт создания "корпоративного RISC-плана", все 4 проекта были объединены в один, PRISM (Parallel Instruction Set Machine), и совместными усилиями к августу 1985 была подготовлена первая спецификация на новый RISC-процессор. Стоит упомянуть, что к тому времени DEC уже принималa активное участие в разработке процессора MIPS R3000 и даже инициировалa создание консорциума Advanced Computing Environment для продвижения этой архитектуры на рынке.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что разрабатываемый процессор унаследовал много черт, присущих архитектуре MIPS, но в то же время отличия были очевидны. Все инструкции имели фиксированную длину в 32 бита, из них верхние 6 и нижние 5 были собственно кодом инструкции, а остальные 21 предназначались для непосредственно данных либо их адресации. Были определены 64 основных 32-битных целочисленных регистрa (MIPS предусматривалa 32), а также 16 дополнительных 64-битных векторных регистров, и 3 контрольных регистра для векторных операций: два 7-битных (vector length и vector count), один 64-битный (vector mask). Регистр состояния процессора отсутствовал, поэтому результат сравнения двух скалярных операндов помещался в целочисленный регистр, а результат сравнения двух векторных операндов -- в vector mask. Встроенный блок вычислений с плавающей запятой не предусматривался. Также присутствовал набор специальных инструкций (Epicode, или extended processor instruction code), реализованных программно посредством загружаемого микрокода, для облегчения решения специальных задач, присущих определённой среде или операционной системе, и не предусмотренных стандартным набором команд; впоследствии, эта функция была реализована в архитектуре Alpha под названием PALcode (Privileged Architecture Library code).

К 1988 проект был всё ещё в стадии разработки, когда высший менеджмент DEC закрыл его, посчитав дальнейшее финансирование нецелесообразным. Протестуя против этого, Катлер уволился и ушёл в Microsoft, где возглавил подразделение по разработке Windows NT.

В начале 1989 DEC представила свои первые рабочие станции с RISC-процессорами, DECstation 3100 на основе 32-битного MIPS R2000 с частотой в 16МГц, и DECstation 2100 на основе того же процессора, но с частотой в 12МГц. Обе машины работали под ОС Ultrix и стоили довольно умеренно (около 8 тыс. долл. США (1990) за DECstation 2100).

Часть 3. Проект Alpha

В 1989 морально стареющая архитектура VAX уже с трудом могла конкурировать с RISC-архитектурами 2-го поколения, такими как MIPS и SPARC, и было вполне очевидно, что следующее поколение RISC оставит VAX немного шансов на выживание. В середине 1989 перед инженерами DEC была поставлена задача создания конкурентноспособной RISC-архитектуры с перспективным потенциалом, но минимально несовместимой с VAX, чтобы облегчить перенос на неё VAX/VMS и всей сопутствующей программной базы. Также было определено, что новая архитектура должна изначально быть 64-битной, так как конкуренты уже были в процессе перехода на 64 бита. Была создана рабочая группа, в которой главными архитекторами были Ричард Витек и Ричард Сайтс (Richard Sites).

Первое официальное упоминание об архитектуре Alpha датируется 25 февраля 1992, на конференции в Токио. Одновременно в небольшом <a href="http://www.alasir.com/alpha/ALPHAENT.TXT">обзоре (для USENET-конференции comp.arch) были перечислены ключевые моменты новой архитектуры; там же было оговорено, что "Alpha" является кодовым именем нового процессора, а рыночное название будет представлено позже. Процессор имел чистую 64-битную RISC-архитектуру с инструкциями фиксированной длины (по 32 бита), с 32 целочисленными 64-битными регистрами, работал с 43-битными адресами виртуальной памяти (с расширением до 64 бит в перспективе), использовал, как и VAX, little-endian порядок следования байт (то есть, когда младший байт регистра занимает при записи младший адрес в памяти; традиционно поддерживался Intel, в противовес к big-endian, изначально внедрённому Motorola, и используемому в большинстве процессорных архитектур, где младший байт регистра занимает при записи старший адрес в памяти). Математический сопроцессор был изначально интегрирован в ядро, вместе с 32 вещественными 64-битными регистрами, причём использовался произвольный доступ к ним, в отличие от примитивного стекового, используемого сопроцессорами Intel x87. Срок службы новой архитектуры был определен, как минимум, в 25 лет.

Поддерживаемый набор инструкций был максимально упрощён с целью максимального облегчения конвейеризации, и состотоял из 5 групп:

инструкции для целочисленных вычислений;
инструкции для вещественных (с плавающей запятой) вычислений;
инструкции отработки условных и безусловных переходов, а также сравнения;
инструкции загрузки и сохранения данных;
инструкции PALcode.

Стоит отметить, что инструкции целочисленного деления отсутствовали, так как являлись наиболее сложными и плохо поддающимися конвейеризации, а поэтому эмулировались.

Архитектура Alpha была "настоящей" RISC (в отличие от современных процессоров архитектуры i386, которые RISC только изнутри). Концептуально разница между RISC (Reduced Instruction Set Computing) и CISC (Complex Instruction Set Computing) состояла (и до сих пор состоит) в нескольких моментах:

Процессор предполагалось запустить в производство на очень высокой для того времени частоте - 150МГц, и довести до 200МГц при тех же конструкторских нормах. Это оказалось возможным как благодаря удачной архитектуре, так и благодаря отказу разработчиков от использования систем автоматического проектирования и выполнению всех работ по схемотехнике исключительно вручную.

Проект вступил в производственную стадию и вскоре был реорганизован в регулярное подразделение DEC.

Трудами отдела маркетинга DEC новая архитектура получила название AXP (или Alpha AXP), хотя до сих пор неизвестно, аббревиатурой чего было это недоразумение. Возможно, что и ничего; в прошлом DEC имела проблемы с торговой маркой VAX, на которую претендовала компания по производству пылесосов, и тогда дело дошло до суда. Кроме всего прочего мотивировалось, что рекламный слоган этой компании ("Nothing sucks like a Vax!" - "Ничто не сосёт так, как Vax!") дискредитирует продукцию DEC. Так что вскоре в компьютерном мире появилась шутка, что AXP - это "Almost Exactly PRISM", то есть "почти точно PRISM".