R10000

R10000 (кодовое имя «Т5») — RISC-микропроцессор, реализующий набор инструкций MIPS IV. Разработан компанией MIPS Technoligies, Inc. (MTI, позже ставшей подразделением SGI). Главные разработчики — Крис Роуэн и Кеннет С. Йегер. R10000 построен на основе микроархитектуры ANDES (Architecture with Non-sequential Dynamic Execution Scheduling — архитектура с непоследовательным динамическим планированием исполнения).«MIPS Claims Floating-Point Record With R10000, The Hottest Chip At The Microprocessor Forum» (31 October 1994). Computer Business Review. R10000 во многом заменил R8000 в высокопроизводительном сегменте и R4400 в других применениях. MTI является бесфабричной компанией, процессоры R10000 изготавливались NEC и Toshiba. Предыдущие производители микропроцессоров MIPS, IDT и другие не производили R10000, так как это было более дорогим, чем R4000 и R4400.

История R10000 был представлен в январе 1996 года в версиях с тактовой частотой 175 МГц и 195 МГц. В 1997 году была представлена 150 МГц версия в продуктовой линейке О2, но её вскоре сняли с производства из-за большей популярности 175 МГц модели. R10000 не был доступен в больших объёмах до конца года из-за проблем изготовления. Версия 195 МГц оставалась в дефиците на протяжении 1996 года, и продавалась по цене в 3000 долларов США.Gwennap, Linley (27 January 1997). «Alpha Sails, PowerPC Flails». Microprocessor Report, pp. 1, 6-9., p. 8."

25 сентября 1996 года SGI объявила о том, что R10000 произведенные компанией NEC в марте и конце июля были неисправны, потребляет слишком много тока и приводят к отключению систем во время работы. SGI отозвал системы, использующие около 10 тысяч процессоров R10000, что повлияло на прибыль компании. «Defects Revealed In SGI R10000 MIPS Systems, Revenues Hit» . (26 September 1996). Computer Business Review.«SGI To Recall 10,000 R10000s» (30 September 1996). Computer Business Review.

В 1997 году версия R10000, изготовленная по 0.25 мкм техпроцессу, достигла частоты 250 МГц.

Применения R10000 использовался в нескольких компьютерных системах:

SGI: Рабочие станции: Indigo2 (поколение IMPACT), Octane, О2 Сервера: Challenge, Origin 2000 Суперкомпьютеры: Onyx, Onyx2 NEC, в суперкомпьютере Cenju-4 Siemens Nixdorf, в серверах, работающих под управлением SINIX Tandem Computers, в отказоустойчивых серверах Himalaya

Описание R10000 имеет суперскалярный дизайн с 4 конвейерами, реализует переименование регистров и применяет внеочередное исполнение инструкций. Дизайн R10000 отличается от предыдущих MIPS микропроцессоров, таких как R4000, который представлял собой скалярный процессор без внеочередного исполнения и опирался в основном на высокие тактовые частоты для получения производительности.

Каждый такт в R10000 может запрашиваться до четырёх инструкции из кэша инструкций. Эти инструкции декодируются и затем, в зависимости от типа, помещаются в одну из очередей исполнения: целочисленных операций, команд над числами с плавающей запятой или инструкций загрузки/сохранения. Блок декодирования использует подсказки типа команд, подготовленные кэшем инструкций: каждая команда помечается пятью битами для определения, в какие исполнительные устройства направить инструкцию, и оптимизации процесса декодирования.

Каждая из очередей инструкций может принять до четырёх инструкций от декодера. Инструкции из очередей выдаются на исполнение в соответствующий исполнительный конвейер динамически, в зависимости от готовности их операндов и доступности ресурсов. Каждая из очередей, за исключением очереди операций загрузки/сохранения может выдавать до двух инструкций за такт. В очереди загрузки/сохранения может запускаться только одна инструкция. Таким образом, R10000 может исполнять до пяти команд в такт.

Блок целочисленных операций Целочисленное устройство состоит из целочисленного регистрового файла и трех конвейеров: два для исполнения целочисленных операций, и один для операций с памятью. Целочисленный регистровый файл имеет ширину 64 бита и содержит 64 регистра, из которых 32 являются архитектурными и 32 используются для переименования регистров. Регистровый файл имеет семь портов чтения и три порта записи. Оба целочисленных конвейера имеют блоки сумматора и логических операций. Однако только первый конвейер предоставляет устройство быстрого сдвига (barrel shifter) и оборудование для подтверждения предсказания ветвления. Второй конвейер используется для доступа к умножителю и делителю. Умножитель конвейеризован, имеют шеститактную задержку для 32-разрядных целых чисел, и задержку в десять тактов для 64-разрядных целых чисел. Блок деления не конвейеризован. Деление производится по не восстанавливающему алгоритму, который выдает по одному биту за такт. Задержка деления для 32-битных и 64-битных целых составляет 35 и 67 тактов соответственно.

Блок операций с плавающей запятой Блок вычислений с плавающей запятой (FPU) состоит из четырёх функциональных устройств: сумматора, умножителя, блока деления и блоки извлечения квадратного корня. Сумматор и умножитель конвейеризованы, деление и блок квадратного корня — не конвейеризованы. Сложение и умножение имеют задержку в три такта и могут принимать новую инструкцию каждый такт. Блок деления имеет задержку 12 или 19 тактов в зависимости от разрядности данных, для одинарной точности и двойной соответственно.

Блок квадратного корня блок выполняет операции извлечения квадратного корня и обратного квадратного корня. Инструкции квадратного корня имеют задержку в 18 и 33 такта для одинарной и двойной точности соответственно. Новая инструкция квадратного корня может выдаваться в блок каждые 20 или 35 тактов для одинарной и двойной точности соответственно. Обратные квадратные корни вычисляются за 30 или 52 тактов для одинарной (32-бит) и двойной точности (64-бит) соответственно.

Регистровый файл для чисел с плавающей запятой содержит шестьдесят четыре 64-разрядных регистра, из которых 32 — архитектурные и 32 — для переименования регистров. Сумматор имеет собственные выделенные порты чтение и записи, для остальных блоков используется разделяемый порт.

Блоки деления и квадратного корня используют алгоритм SRT. MIPS IV имеет команду умножения-сложения. Данная инструкция реализована в R10000 при помощи байпаса — результат умножения может быть доставлен в обход регистрового файла непосредственно в конвейер сумматора в качестве операнда. Поэтому данная реализация не является совмещенным умножением-сложением и имеет четыре такта задержки.

Кэш-память R10000 использует две сравнительно больших кэша, реализованных на том же чипе: 32 КБ кэш инструкций и 32 КБ кэш данных. Кэш инструкций — 2-х канальный множественно-ассоциативный, использует строки в 128 байтов. Инструкции частично декодируется путем добавления четырёх битов к каждой инструкции (размер одной инструкции 32 бита).

32 КБ кэш данных является двухпортовым с двукратным чередованием. Он состоит из двух 16 КБ банков, и каждый банк использует двух-канальную ассоциативность. Кэш использует строки размером 64 байта, протокол write-back, индексируется виртуально и тегируется физически. Такой подход позволяет производить индексирование в том же такте и поддерживать когерентность с кэшем L2.

Внешний кэш L2 является общим для инструкций и данных и может иметь размер от 512 КБ до 16 МБ. Он реализуется на базе синхронной статической памяти (SSRAM). Доступ к кэшу осуществляется через 128-битную шину, защищенную 9-битным кодом коррекции ошибок (ECC). Кэш и шина работают на тактовой частоте процессора R10000. На 200 МГц, шина имеет пиковую пропускную способность 3.2 ГБ/с. Кэш использует двух-канальную ассоциативность, но для сокращения числа контактов R10000 прогнозирует канал для обращения.

Адресация MIPS IV является 64-битной архитектурой, но R10000 не реализует полное физическое или виртуальное адресное пространство для снижения себестоимости. Процессор предлагает 40-битную физическую адресацию и 44-разрядную виртуальную адресацию, что позволяет адресовать до 1 ТБ физической памяти и до 16 ТБ виртуальной памяти.

Системная шина Avalance В качестве системной шины используется Avalance — 64-разрядная шина, работающая на частотах до 100 МГц. Шина Avalance мультиплексирует адреса и данные, поэтому из максимальной теоретической пропускной способности 800 МБ/с при частоте 100 МГц для передачи данных доступно лишь 640 МБ/с, так как часть тактов используется для передачи адресов.

Встроенный контроллер системного интерфейса поддерживает реализацию симметричных многопроцессорных систем (SMP) размером до четырёх микропроцессоров включительно. Применение внешних контроллеров позволяет создавать системы из сотен процессоров R10000. Примером такой системы является SGI Origin 2000.

Изготовление Процессор R10000 насчитывает около 6,8 миллионов транзисторов, из которых примерно 4,4 миллиона составляют реализацию кэшей первого уровня.Yeager, Kenneth C. «The MIPS R10000 Superscalar Microprocessor». IEEE Micro. April 1996, p. 28. doi:10.1109/40.491460 Чип имеет размеры 16.64 на 17.934 мм с общей площадью 298.42 мм2. Он изготавливался по техпроцессу 0.35 мкм и упаковывался в керамический LGA корпус на 599 контактов.

Производные процессоры R10000 был расширен в нескольких производных проектах. Все производные после R12000 имели сниженные тактовые частоты для сохранения рассеиваемой мощности в пределах от 15 до 20 Вт. Это позволяла плотно упаковывать процессоры в высокопроизводительных вычислительных системах SGI.

R12000

R12000 является производной от R10000, начатой в MIPS и завершенной в SGI. Он изготавливался NEC и Toshiba. Версия от NEC называется VR12000. Микропроцессор был представлен в ноябре 1998 года, он был доступен с частотами 270, 300 и 360 МГц. R12000 был разработан как временное решение после отмены проекта Beast, в котором планировалось создать преемника для R10000. Процессор R12000 использовался NEC, Siemens-Nixdorf, SGI и Tandem Computers (позже стала частью Compaq).

В R12000 улучшена микроархитектура R10000 путем включения дополнительных стадий конвейера для повышения тактовой частоты, увеличения количества записей в таблицах истории ветвлений, улучшения прогнозирования ветвлений, изменения очередей инструкций для учёта возраста инструкций (более старым инструкциям придается приоритет для исполнения).

R12000 изготавливался компаниями NEC и Toshiba по 0.25 мкм КМОП-процессу с четырьмя уровнями алюминиевых соединений. Использование нового техпроцесса не означает, что R12000 был просто усадкой предыдущего дизайна с оптимизациями микроархитектуры. Топология R12000 была оптимизирована для получения преимуществ от 0.25 мкм техпроцесса.Halfhill, Tom R. (January 1998). «RISC Fights Back with the Mips R12000». Byte Magazine. Изготовленные NEC процессоры VR12000 содержат 7,15 млн транзисторов в кристалле размером 15.7 на 14.6 мм (229.22 мм2).

R12000A R12000A — производная от R12000, разработанная в SGI. Представлен в июле 2000 года, работает на 400 МГц и изготовлен компанией NEC на 0.18 мкм техпроцессе с алюминиевыми соединениями.

R14000 R14000 является дальнейшим развитием R12000, анонсированным в июле 2001 года. R14000 работает на частоте 500 МГц благодаря применению 0.13 мкм КМОП техпроцесса с пятью уровнями медных межсоединений. Кроме улучшений в микроархитектуре R12000 процессор поддерживает SSRAM с интерфейсом удвоенной скорости передачи данных (DDR) для вторичной кэш-памяти и системную шину с частотой 200 МГц.ComputerWire (2 July 2002). «SGI to develop MIPS chips for Origin, Onyx» . The Register.

R14000A R14000A является дальнейшим развитием R14000, о котором было объявлено в феврале 2002 года. Он работает на 600 МГц, рассеивает около 17 Вт, и изготовлен компанией NEC по 0.13 мкм КМОП техпроцессу с семью уровнями медных соединений.

R16000