Основы AS/400 - Фрэнк Солтис

Генератор кода компилятора (аналог транслятора AS/400) для VLIW-процессора находит процессору достаточно работы на каждом цикле и генерирует соответствующие команды:. Если на каждом цикле исполняется от 4 до 20 полезных команд, то на одном процессоре можно добиться производительности на уровне миллиарда команд в секунду.

Самая большая проблема VLIW в том, что генератор кода компилятора должен быть тесно связан с аппаратурой. Чтобы генерировать команды для каждого функционального узла процессора, компилятор должен иметь точную информацию, сколько узлов на микросхеме, какие они и как связаны друг с другом. В результате, практически невозможно использовать код, сгенерированный таким компилятором на любом модифицированном процессоре, так как у них отсутствует двоичная совместимость (или они имеют разное число функциональных узлов).

Ранее предполагалось, что Intel использует в микросхеме Merced трансляцию команд х86 и IA-64 в команды VLIW «на лету», аналогично Pentium II и Pentium Pro, где команды х86 и IA-64 «на лету» транслируются в последовательность RISC-подобных команд непосредственно микросхемой. Intel называет эти RISC-подобные команды микрооперациями и описывает данный прием как динамическое исполнение. Затем ядро процессора исполняет эти микрооперации конвейерным устройством, которое выглядит точно так же, как и любой RISC-процессор.

Intel не первая применила такой механизм. Точно так же работал процессор Nx586 другого производителя микросхем х86 — NexGen, теперь приобретенной AMD (Advanced Micro Devices). NexGen называла этот подход внутренними командами RISC86. Теперь он использован в другой совместимой с х86 микросхеме AMD — К6. Все эти продукты продемонстрировали, что динамическое исполнение удачно для RISC-процессора. В то же время оно может не очень хорошо сказываться на объеме параллелизма в потоке команд VLIW-процессора.

Далее RISC-процессор анализирует следующие 3 — 6 команд и направляет их в максимально возможное в данный момент количество узлов процессора. RISC-компиляторы отвечают за помещение в поток команд независимых друг от друга инструкций, чтобы за один цикл можно было отправить на выполнение их максимальное количество. Генератор кода компилятора обрабатывает промежуточное представление и генерирует двоичные машинные команды. Обычно для предоставления процессору достаточного числа независимых команд требуется анализ команд некоторого участка промежуточного представления.

В VLIW-машине число функциональных устройств сильно возрастает, что нужно для достижения большего параллелизма. В ближайшее время можно вполне ожидать появления процессоров, имеющих от 16 до 32 (а в будущем и более) функциональных узлов. Для обеспечения загрузки командами компьютеров такого типа генератору кода компилятора потребуется проанализировать гораздо больший диапазон промежуточного представления. Для генерации команд каждого цикла компилятору придется просмотреть, возможно, сотни и даже тысячи промежуточных команд. При использовании динамического подхода «на лету», для генерации команды VLIW просматривается лишь несколько команд. Способность эффективной загрузки большого числа функциональных узлов в этом случае остается под большим вопросом.

В соответствии с последней информацией от Intel, подход, который будет использован в Merced, будет больше походить на RISC-подобный подход Pentium Pro. В новом процессоре могут быть использованы некоторые базовые концепции VLIW, включая параллельное диспетчирование большого числа команд. Один из руководителей Intel сказал, что они взяли разработки VLIW от HP и разработки CISC/RISC от Intel и собираются создать на их основе нечто новое. Он сказал, что это новый тип архитектуры, который идет дальше не только RISC, но и VLIW. Мы в Рочестере наблюдаем за происходящим с большим интересом.

VLIW в Рочестере

Рочестер заинтересовался архитектурой с очень длинным словом команд в начале 80-х. В то время здесь было организовано специальное подразделение исследования новых технологий для наших будущих системах. В этом подразделении я руководил группой систем. Задача группы состояла не в том, чтобы создать продукт, который будет поставляться заказчикам, но разобраться, заслуживают ли некоторые идеи внимания, и может ли на их основе быть создана аппаратура. Разумеется, лучший способ продемонстрировать положительный ответ — работоспособный прототип.

Наша группа сосредоточила свое внимание на высокопроизводительных вычислениях и параллельной обработке, в основном, применительно к System/38. Мы были убеждены, что когда-нибудь создадим модели System/38 очень высокой производительности, и хотели быть готовы к этому. Исследование процессоров возглавлял Рой Хоффман. Его идея состояла в следующем: добавить к System/38 процессоры, специально предназначенные для приложений, с которыми эта система справлялась не очень хорошо. Одним из сопроцессоров, которые мы присоединили к System/38, был высокопроизводительный процессор операций с плавающей точкой. После этого мы решили пойти дальше и построить System/38 с производительностью суперкомпьютера. В наши намерения входило добиться на своем прототипе большей производительности приложений, интенсивно использующих плавающую точку, чем на System/ 390 с ее векторными возможностями. Достичь поставленной цели мы собирались с помощью сопроцессора фирмы FPS (Floating Point Systems).

В 1975 году FPS выпустила АР-120В — первенец семейства матричных процессоров FPS, использовавшийся, в основном, для обработки сигналов. Матричные процессоры работают с упорядоченными наборами данных, обычно, векторами или матрицами. В 1980 году FPS выпустила FPS-164 на основе архитектуры АР, предназначенный для сложных научных расчетов. FPS-164 был полностью 64-разрядным процессором. Он мог с успехом соревноваться с любыми суперкомпьютерами того времени, включая Cray.

Процессор FPS не был автономным, а подключался к управляющей вычислительной системе. Мы купили его и подключили к System/38, а параллельно стали разыскивать коммерческие приложения, которым требовались высокопроизводительные вычисления с плавающей точкой. Мы хотели показать, что вычисления такого типа применимы не только к научным расчетам. Наиболее обещающими были приложения для банков и работы с ценными бумагами.

^чЧУЦ//>, Физически FPS-164 был гораздо больше System/38. У него были также свои «капризы», которыми не страдала наша система, например требования к охлаждению воздуха. Мы оборудовали ему специальную комнату с фальшполом и самым большим кондиционером, который когда-либо устанавливали наши техники. Вентиляторы FPS засасывали холодный воздух из-под фальшпола с таким шумом, будто в комнате находилось судно на воздушной подушке. Когда мы его выключали, в комнате становилось так холодно, и никто из персонала не мог там долго находиться. Однако, как вычислительная машина FPS-164 работал по-настоящему быстро.

У FPS были планы — создать с помощью новых технологий такие версии FPS-164, которые работали бы вместе с System/38 в нормальных условиях офиса. Но именно тогда проект Fort Knox был прекращен, и мы сосредоточили все свои силы на Silverlake. Увы, проект использования с System/38 новых сопроцессоров нам не довелось довести до конца. Однако он кое-чему научил нас, и этот опыт пригодился при работе над сопроцессорами для AS/400.

Системы FPS были одними из первых с длинным словом команды, содержавшим по несколько операций на команду. В машине имелось 10 функциональных узлов, и каждому из них требовалась на каждом цикле собственная подкоманда. В длинном слове команды были отдельные подкоманды для каждого узла. Одна команда могла полностью обработать вектор.

Вместо оптимизирующего компилятора для создания длинных слов команд применялись библиотеки языка ассемблера. Основной компьютер обрабатывал логику программы и вызывал процедуры с длинными командами для исполнения на машине FPS. Данный тип программирования схож с микрокодом с длинным словом типа HMC, использовавшегося в System/38. Хотя в командах НМС было не так много битов, как длинном слове команды FPS, но каждая команда НМС запускала несколько функций процессора System/38. Одно время мы рассматривали возможности использовать в НМС некоторые приемы для распределения команд по функциональным узлам.

Примерно в то же самое время, группа исследователей Йельского университета (Yale University) предложила создать машину с очень длинной командой (512 бита), которую они назвали VLIW. Коммерческий проект попыталась осуществить фирма Multiflow Computers, но, в конечном счете, потерпела неудачу из-за недостатка финансирования. В 1993 HP лицензировала у более не существующей компании пакет ее патентов.

Интерес к машинам VLIW в Рочестере сохранялся и в конце 80-х годов, главным образом, благодаря связи этой технологии и НМС. После объявления IBM AS/400 мы начали работу над процессором для систем следующего поколения. Технология VLIW стала частью новой архитектуры.

Одним из руководителей проекта VLIW был Дэйв Льюк (Dave Luick). Дэйв начинал с нашего первого процессора, возглавлял разработку процессора System/38 Model 7 и с тех пор участвовал в проектировании всех наших процессоров. Он из тех, кто всегда стремится выйти за пределы традиционной технологии, и очень заинтересовался применением к НМС некоторых технологий VLIW. Процессор C-RISC, обсуждавшийся в главе 2, был разработан как процессор для Advanced Series перед тем, как мы перешли на технологию PowerPC. Так вот, благодаря Дэйву и некоторым его соратникам, C-RISC имел НМС с рядом характеристик машины VLIW.