Itanium
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Itanium 2 中央处理器 |
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Itanium 2 商標 |
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製造日期: | 由2002年中到現在 |
廠商: | Intel |
处理器速度: | 733 MHz 到1.6 GHz |
前端总线速度: | 266 MHz 到667 MHz |
指令集架構: | Itanium |
插座: | PAC611 |
核心:
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Itanium(官方中文名稱為安騰),是 Intel Itanium 架構(通常稱之為 IA-64)的 64位元處理器。Intel 推出了兩個 Itanium 的家族:其一是 Itanium,另一個是 Itanium 2。在 2007年 11月1日,Itanium 2 的家族又再一次稱為 Itanium。該處理器的市場定位是在於企業伺服器與高效能運算系統。該架構由 HP 創始,後來則是 HP 與 Intel 共同開發。
Itanium的微架構是徹底的不同於其他 Intel 處理器採用的 x86(包含x86-64)架構。這個架構是建基於顯性的指令並行,由編譯器來決定哪些指令並行處理。這種方式允許處理器在每個週期最多可以執行 6 個指令。與超純量架構的不同點,Itanium在並行處理中並沒有複雜的線路來判斷指令依賴性,所以編譯器必須要在編譯的時候就已經處理妥當。
在一系列的拖延開發進度後,第一款 Itanium 於 2001年推出,性能更強的 Itanium 處理器在之後則是有週期性的持續推出。採用 Itanium 處理器的製造商之中,以 HP 的製造量最多。在 2007年,Itanium 在企業界系統採用的架構之中是位於第四名,而前三名則是x86-64、IBM POWER 與 SPARC。Intel 推出最新的 Itanium 處理器為 Montvale 核心,於 2007年 11月推出。[1]
目录 |
[编辑] 歷史
[编辑] 開發:1989 至 2001
在 1989 年,HP 認為 RISC 架構將來會遇到每週期只能執行一個指令的瓶頸。而 HP 的研究員在研究一個稱之為顯式並行指令運算(EPIC)的新架構,該架構允許處理器在一個週期內執行多條指令。EPIC 是一種超長指令字(VLIW)架構,每個這種指令即包含多條小指令。使用 EPIC 技術後,編譯器就能決定讓這些小指令同時執行於單一週期,因此處理器能夠簡單的執行這些指令而不需要很複雜的架構去決定哪些指令能夠並行執行。[4]
HP 認為它對個別企業系統公司不具有足夠的成本效益來自行開發自己的處理器,所以 HP 在 1994年與 Intel 結為合作夥伴來開發 EPIC 為基礎的 IA-64 架構。而 Intel 預測 IA-64 微處理器將會被使用多數的企業系統製造業採用而給予大量的開發資源。在 1998年,HP 與 Intel 發表共同的大規模合作開發的成品,內部代號為 Merced。[4]
在開發期間,Intel、HP 還有工業分析家預測 IA-64 將會支配伺服器、工作站、高階電腦,甚至取代 RISC 與 CISC 架構的所有既有產品。此預測導致 Compaq 與 Silicon Graphics 決定放棄 Alpha 與 MIPS 架構的未來開發計畫而偏愛轉移至 IA-64 架構。[5]
數個集團分別開始為該架構開發作業系統,包含 Microsoft Windows、Linux 與 Unix 的衍生版本像是 HP-UX、Solaris、Tru64 UNIX 與 Project Monterey[6](後三者在進入市場之前就已被取消)。在 1997 年發現 IA-64 架構與該編譯器的開發難度比預期還要高,所以 Merced 的推出時間就一再順延。[7]該技術困難包含需要非常大量的電晶體才能處理超長指令與大量快取。在該架構的專案還有一些結構性的問題,在兩部分的整合團隊使用不同的演算法而有些微不同的優先度。自從第一顆 EPIC 架構的處理器 Merced 推出後,開發團隊也陸續遭遇更多之前未預料到的問題。除此之外,EPIC 的概念依賴於編譯器的處理能力,而之前完全沒有實作過,所以許多未預測到的研究也出現。
Intel 在 1999年 10月4日發表該處理器的官方名稱 Itanium。[8]幾小時之後觀察家指出該處理器參考 Itanic,[9]源自於 Titanic,在 1912 年沉沒的號稱“不可能”沉沒的遠洋郵輪。不少評論媒體暗示 Itanium 像是個大白象耗資億元的產物卻無法達到既定效能與銷售量。但此時 RISC 與 CISC 的架構長足的增強超純量的性能,能夠不使用 EPIC 的技術來破除單一週期只能執行一個指令的魔咒。
[编辑] 第一代 Itanium 處理器:2001 至 2002
Itanium 中央处理器 |
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Itanium 處理器 |
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製造日期: | 由2001年 6月到2002年 6月 |
廠商: | Intel |
处理器速度: | 733 MHz 到800 MHz |
前端总线速度: | 266 MT/s |
製程: (MOSFET通道長度) |
0.18 µm |
指令集架構: | Itanium |
插座: | PAC418 |
核心代號: | Merced |
Itanium 800MHZ L3 4M 中央处理器 |
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Itanium 800MHZ L3 4M 處理器 |
Itanium 800MHZ L3 4M 中央处理器 |
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Itanium 800MHZ L3 4M 處理器 |
第一代 Itanium 在 2001年 6月推出,但是卻不優於同時代的 RISC 與 CISC 處理器。Itanium 與 x86 的低階伺服器(小於4 CPU 的系統)競爭,還有跟高階的 IBM POWER 架構與 SPARC 架構競爭市場。而 Intel 重新定位 Itanium 指向高階商務與高效能運算系統,嘗試去複製 x86 架構中非常成功的橫向市場發展(單一架構,多個系統製造廠)。不過卻被侷限在業界不想更換 HP 製造的 PA-RISC 與 Alpha,還有 SGI製 MIPS 架構的高性能運算系統。因為當 x86 架構切入商用市場上,POWER 與 SPARC 架構還算是很強健的。以預算為主的考量,x86 在商用運算的橫向發展中是非常優秀的選擇。HP 與 Intel 此時發現 Itanium 無法與其他系統相提並論,就在一年後就推出 Itanium 2 來取代舊有的 Itanium。由於缺乏足夠的產額、差勁的性能,還有高售價,第一代 Itanium 只有售出幾千組系統。不過這些系統在開發 Itanium 2 的軟體時是相當有用的。不過既使如此,IBM 還是有製造出搭載此處理器的超級電腦。[10]
[编辑] Itanium 2 處理器:2002 至今
Itanium 2 於 2002年推出,它的市場定位改成企業伺服器而不是整個高性能運算的範圍。最初 Itanium 2 的內部代號為 McKinley。它使用 180 奈米製程,不過它解決了很多前一代性能不彰的問題。[11]
在 2003年,AMD 推出 Opteron,是第一款含 x86-64 技術的處理器。而它在企業伺服器的領域中被快速接納的原因是它能夠很容易的從 x86 的架構中升級。而 Intel 則是在 2004年推出有 x86-64 技術的 Xeon 處理器還擊。[12] 2003年 Intel 也推出了新的 Madison 核心的 Itanium 2。採用 130 奈米製程製造而成,而更新的 Montecio 則是在 2006年 6月推出。
在 2005年 3月,Intel 宣布它正在執行新的 Itanium 計畫,代號為 Tukwila 將於 2007年問世。Tukwila 將配備四顆處理器,而且會用新的通用系統介面取代原有 Itanium 匯流排,而這種介面也會應用在 Xeon 上面。[13] 之後 Intel 說明 Tukwila 的問世將順延至 2008年年尾。.[14]
在 2005年 11月,主要幾個 Itanium 伺服器製造廠商與 Intel 與一些軟體開發商成立了 Itanium 解決方案聯盟來宣傳此架構且加速軟體支援度。[15]而該協會發表初協會會員在 2010 年底將投資共 100億美元為發展 Itanium。[16]
不過 Itanium 並不是 Intel 的主力產品。Intel 並沒有說明製造出多少產品,但有一個業界分析家指出在 2007年 Intel 大約生產 20 萬顆處理器。[17]
[编辑] 架構
Intel 有龐大的 Itanium 指令集與微架構的紀錄文件,[18]而且技術文件也提供瀏覽。[19][7]該微架構在歷史上曾幾度更名。HP 稱之為 EPIC,後來改為 PA-WideWord,後來 Intel 稱之 IA-64,之後又改為 Itanium 處理器架構 (IPA),[20]在提出 Intel Itanium 架構之前,該架構通常稱為 IA-64。這是明確且並行的 64 位元暫存器架構。基礎的資料長度為 64 個位元,並能提供定址,邏輯定址空間為 264 位元組。該架構並能提供分支預測與預測執行。它使用硬體暫存器更名結構而不是簡單的暫存器映射。這相同的結構也用於判斷允許並行執行迴圈。這些能力是可以被編譯器控制的:每個指令字包含許多此動作。這就是該架構的特點之一。
此架構提供 128 個整數暫存器、128 個浮點數暫存器、64 個單位元預測器與 8 個分支暫存器。而浮點數暫存器的長度高達 82 個位元而能夠提供精確的運算結果。
[编辑] 指令執行
每個 128 位元的指令字就包含三個小指令,預讀機制可以在每個週期中從 L1 快取中讀取兩個指令到管線。當編譯器能夠在這個機制上獲得最大優勢,處理器就能在每個週期中執行六條指令。該處理器在 11 個群組中有 30 個功能性執行單位。每一個單位能夠執行指令集中的特殊子集,除非為了等候資料中止執行,否則每個單位就會每個週期執行一個指令。且並不是在一個群組的所有單位執行指令集的相同子集,而是共同的指令能在多個單位中被執行。這些群組包括:
- 六個一般的 ALU、兩個整數單位與一個移位單位
- 四個資料快取單位
- 六個多媒體單位、兩個平行移位單位、一個平行乘法器與一個群組計數器
- 兩個浮點乘積累加器,兩個“雜項的”浮點單位
- 三個分支單位
因此,編譯器能時常聚集指令進入同時能執行的六個的群組。因為浮點單位執行一次乘積累加運算,當應用程式需要將相加數值做乘積,一個浮點指令就能執行二個指令的工作:這在科學處理中非常常見。當這種情況發生後,處理器就能在每個週期執行四個指令(4 FLOPS)。比方來說,800 MHz 的 Itanium 理論運算能力為 3.2 GFLOPS,然後最快的 Itanium 2,時脈微 1.67 GHz 的運算能力則達 6.67 GFLOPS。
[编辑] 記憶體架構
Itanium 2 處理器階層式的使用共享的快取。等級1(L1)有16KB的指令快取與16KB的資料快取。等級2(L2)是256KB的統一型(指令與資料共用)快取。L3也是統一型的快取,不過大小從1.5MB至24MB不等。在256KB的L2快取中包含了足夠的邏輯電路來處理信號標就不需要使用到算術邏輯單元(ALU)。
主記憶體則是透過匯流排聯繫至晶片組來存取。Itanium 2 的匯流排最初稱之為 McKinley bus,不過現在通常直接稱之為 Itanium 匯流排。該匯流排的速度會因為新處理器的發佈而顯著提升。匯流排在每個週期傳輸 2×128 個位元,所以 200 MHz 匯流排的傳輸率達 6.4 GB/s,而 533 MHz 的匯流排的傳輸率則是高達 17.056 GB/s。[21]
[编辑] 架構修改
在 2006年之前推出的 Itanium 處理器一概支援 IA-32 架構來支援舊有的伺服器應用程式,但是與同世代的原生 x86 來比效能是相當糟糕的。而在 2005 年 Intel 開發出 IA-32 EL 軟體模擬器來提供更好的效能。在 Montecito,Intel 移除了 IA-32 的硬體支援。
雖然 Montecito 沒有 IA-32 的能力,但是 Intel 也在增強了一些功能在這顆核心上。[22]該架構支援硬體多執行緒,也就是一顆處理器能夠處理兩個執行緒。當其中一個執行緒要去讀寫記憶體時,另一個執行緒就執行指令。Intel 為了區分在 x86 處理器的超執行緒,在 Itanium 稱之為“稀疏執行緒”(Coarse multithreading)。稀疏執行緒搭配 Itanium 架構所得的效能增進是顯而易見的。Intel 也在該核心上支援硬體的虛擬化技術。虛擬化技術能夠在性能損失降到最低時同時執行多個作業系統。除此之外 Montecito 也具備了分離式 L2 快取,新增專用的 1 MB L2 指令快取,原本 256 KB 的 L2 快取則是變成資料快取。
[编辑] 硬體支援
[编辑] 系統
公司 | 最新產品 | |||
---|---|---|---|---|
名稱 | 始於 | 直到 | 伺服器名 | CPUs |
惠普 | 2001 | - | Integrity | 1-128 |
康柏 | 2001 | 2001 | Proliant 590 | 1-4 |
戴爾 | 2004 | 2005 | PowerEdge 7250 | 1-4 |
IBM | 2001 | 2005 | x455 | 1-16 |
富士通 | 2005 | - | PRIMEQUEST | 1-32 |
NEC | 2002 | - | Express5800 /1000 |
1-32 |
SGI | 2001 | now | Altix 4000 | 1-1024 |
日立 | 2001 | - | BladeSymphony 1000 |
1-8 |
Bull | 2002 | - | NovaScale | 1-32 |
Unisys | 2002 | - | ES7000/one | 1-32 |
在 2007年,部分製造廠商提供搭載 Itanium 2 的系統,包含 HP, SGI、NEC、Fujitsu、Unisys、Hitachi 與 Groupe Bull。除此之外,Intel 也有提供機架[23]提供給系統組裝員建造 Itanium 系統。HP 則是目前唯一一家業界中前四大伺服器製造廠提供搭載 Itanium 的系統,超過 80% 的 Itanium 2 系統是由 HP 製造出來的。在 2006 年第一季 HP 售出多達 7200 組 Itanium 系統。[24]左右系統的售價是取決於企業伺服器與技術性運算的規模,平均一組系統造價約 200,000 美元。一般的 Itanium 系統會搭載 8 顆以上的處理器。
[编辑] 晶片組
Itanium 的匯流排介面是靠晶片組來聯繫的。企業伺服器製造廠區分系統的不同點,是在於開發設計不同的晶片組來連結處理器到記憶體、內部連結還有週邊控制器。這些晶片組在每個系統架構的設計中是非常重要的。目前而言,Itanium 的晶片組有 HP、Fujitsu、SGI、NEC、Hitachi 與 Unisys 分別開發。IBM 與 Intel 分別於 2003 與 2002 年也有推出晶片組,但是他們並沒有支援比較新的技術,像是 DDR2 或是 PCI Express。[25]
[编辑] 軟體支援
為了讓更多的軟體可以執行在Itanium上,Intel支援開發Itanium平台的有效的編譯器,特別是自身套件的編譯器。[26][27] GCC[28][29] 與 MS Visual Studio 2005(及後來版本)[30] 也都能夠編譯出Itanium的程式。直到2007年,Itanium支援的作業系統有Windows Server 2003、好幾種的Linux版本(包括 Debian、Red Hat與SuSe)、FreeBSD[31]、HP-UX、OpenVMS與HP的NonStop。它也支援主機環境的GCOS還有一些IA-32的作業系統也能透過指令集模擬器在Itanium執行。使用QuickTransit就能經由“動態位元轉換”讓IRIX(MIPS架構)與Solaris(SPARC架構)執行於Itanium的Linux 上。根據Itanium解決方案聯盟指出,在2007年初有超過一萬個應用程式可以執行於Itanium系統上,[32]但是昇陽對此數字保持懷疑態度。[33]而該協會也支援Gelato,一個Itanium高效能運算使用者群組與開發者社群之園開放源碼的Itanium。[34]
[编辑] 競爭對手
Itanium 2 主要是面向大型企業伺服器的市場,所以主要競爭對手如下:
綜觀 Itanium 的歷史,相較於一般處理器的固定小數點運算性能,它具有相當優秀的浮點運算處理性能。這項優勢對高效能運算系統是很有幫助的,但是在大多數的企業伺服器的負載上是較不注重這方面的性能。
[编辑] 超級電腦
搭載 Itanium 架構的電腦第一次出現在 TOP500 的超級電腦列表是在 2001年 11月。[35]搭載著 Itanium 2 的超級電腦在該列表中最佳紀錄是在 2004年 6月的 Thunder 以 Rmax 為 19.94 TFLOPS 獲得第二名。在 2004年 11月 Columbia 超級電腦以 51.8 TFLOPS 的運算速度再次獲得第二名,而且直到 2007年 6月為止至少有一台超級電腦進入前十名。而在此名單中在 2004年 11月的名單中有高達 16.8% 的電腦是搭載 Itanium 系列,而在 2007年 11月則是降到 4.2%。[36]
[编辑] 處理器
[编辑] 已推出
Itanium 處理器在性能上顯現出長足的進步。Merced 是實做對架構的概念。而 McKinley 顯著的提升快取的等級而且讓 Itanium 能夠與其他架構平起平坐。Madison 則是藉由轉移到 130 奈米製程,能夠增加快取大小來克服主要效能的瓶頸。Montecito 使用的是 90 奈米製程,允許實作雙核心並且在能源效率上取得進步。Montvale 加入了 3 個新功能:Core-level lockstep、demand-based switching 與前端匯流排頻率提升到 667 MHz。
內部代號 製程 |
推出時間 | 時脈 | L2 快取/ 每核心 |
L3 快取/ 每核心 |
前端匯流排 | 芯片數/ 每裝置 |
核心數/ 每芯片 |
瓦特/ 每裝置 |
附註 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Itanium | ||||||||||
Merced 180 奈米 |
2001-06 | 733 MHz | 96 KB | 2 MB* | 266 MHz | 1 | 1 | 116 | 外部 L3 快取 | |
2001-06 | 800 MHz | 96 KB | 4 MB* | 266 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
Itanium 2 | ||||||||||
McKinley 180 奈米 |
2002-07-08 | 900 MHz | 256 KB | 1.5 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | HW branchlong, on-die L3 cache |
|
2002-07-08 | 1 GHz | 256 KB | 3 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
Madison 130 奈米 |
2003-06-30 | 1.3 GHz | 256 KB | 3 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | ||
2003-06-30 | 1.4 GHz | 256 KB | 4 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
2003-06-30 | 1.5 GHz | 256 KB | 6 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
2003-09-08 | 1.4 GHz | 256 KB | 1.5 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
2004-04 | 1.4 GHz | 256 KB | 3 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
2004-04 | 1.6 GHz | 256 KB | 3 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
Deerfield 130 奈米 |
2003-09-08 | 1.0 GHz | 256 KB | 1.5 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 62 | 低電壓 | |
Hondo 130 奈米 |
2004-Q1 | 1.1 GHz | 256 KB | 4 MB | 400 MHz | 2 | 1 | 260 | 32 MB L4 快取 | |
Fanwood 130 奈米 |
2004-11-08 | 1.6 GHz | 256 KB | 3 MB | 533 MHz | 1 | 1 | 130 | ||
2004-11-08 | 1.3 GHz | 256 KB | 3 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 62? | 低電壓 | ||
Madison 9M 130 奈米 |
2004-11-08 | 1.6 GHz | 256 KB | 9 MB | 400 MHz | 1 | 1 | 130 | ||
2005-07-05 | 1.67 GHz | 256 KB | 6 MB | 667 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
2005-07-18 | 1.67 GHz | 256 KB | 9 MB | 667 MHz | 1 | 1 | 130 | |||
Montecito 90 奈米 |
2006-07-18 | 1.4 GHz | 256 KB+ 1 MB |
12 MB | 400 MHz | 1 | 2 | 104 | 虛擬化技術、 多執行緒、 沒有硬體 IA-32 支援 |
|
2006-07-18 | 1.6 GHz | 256 KB+ 1 MB |
12 MB | 533 MHz | 1 | 2 | 104 | |||
Montvale 90 奈米 |
2007-10-31 | 1.66 GHz | 256 KB+ 1 MB |
4-12 MB | 400-667 MHz | 1 | 1-2 | 75-104 | Core-level lockstep、 demand-based switching |
[编辑] 未來產品
未來的 Itanium 家族基於既有的資訊,會趨向多核心晶片的方向前進。在 2007年 6月為止,已知資訊如下:
- Tukwila 將會於 2008年底推出。該報告指出[37]該處理器將會使用 65 奈米製程、屬四核心處理器、高達 30 MB 的快取、包含多執行緒技術與內建記憶體控制器,這樣能夠加快資料的修正能力。 Tukwila 將會內建新的 Intel QuickPath 內部連線技術來取代原有的匯流排。它在兩顆處理器之間的頻寬達 96 GB/s,處理器與記憶體之間的頻寬則是高達 34 GB/s。QuickPath 也會在之後的 Xeon Nehalem 處理器使用此技術,所以 Tukwila 可以跟 Nehalem 使用相同的晶片組。[38]
- Poulson 將會使用 32 奈米製程且具有至少 4 核心在 CPU 內,改良的多執行緒技術,還有能夠在平行處理效能增進的新指令集,特別是在虛擬化技術。[38]
[编辑] 時間線
- 1989:
- HP 開始研究 EPIC。[4]
- 1994:
- 6月:HP 與 Intel 宣布結為合作夥伴。[39]
- 1995:
- 9月:HP、Novell 與 SCO 發布了一項使用“HP/Intel 架構的 64位元網路運算”的“大量資料的 UNIX 作業系統”計畫。[40]
- 1996:
- 1997:
- 1998:
- 1999:
- 2000:
- 2001:
- 6月:IDC 預測在 2004年 Itanium 系統的年銷量達 150億美元。[2]
- 6月:Project Monterey 團隊解散。
- 7月:Itanium 推出。
- 10月:IDC 再次預測在 2004年 Itanium 系統的年銷量達 120億美元。[2]
- 11月: 位於國家超級電腦應用中心的 IBM 製造之 320 顆處理器叢集的系統在 TOP500 的列表中名列 34 名。[35]
- 11月:Compaq 因為處理器的問題而延遲發表 Itanium 的產品。[47]
- 12月:創立 Gelato。
- 2002:
- 3月:IDC 再次預測在 2004年 Itanium 系統的年銷量為 50億美元。[2]
- 6月:推出 Itanium 2。
- 2003:
- 2004:
- 2005:
- 2006:
[编辑] 參考資料
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