Как разрабатываются и создаются процессоры? Часть 1: Фундаментальные основы архитектуры процессоров

Существует общественное мнение, что процессор - мозг компьютера. Но как работает этот самый мозг, состоящий из миллиардов транзисторов? В этой небольшой серии статей (всего из четырех частей)портал Techspotрешил тщательно разобраться в том, что же заставляет работать ваше "железо".

В статьях будут затронуты такие темы, как принцип работы компьютерной архитектуры, дизайн микросхем процессоров, сверхбольшая масштабная интеграция (VLSI), создание чипов и грядущие тренды. Если вам всегда было интересно, как работают процессоры, то присаживайтесь прямо сейчас и наслаждайтесь чтением, потому что именно с этого и начнется данная статья.

Для началанужно понять, из чего состоит процессор, и как блоки соединяются в функциональное целое. Также будет затронута тема ядер процессоров, иерархии памяти, прогнозирования ветвлений и многого другого. Для начала, стоит дать базовое определение тому, что именно делает процессор. Если говорить простым языком, то процессор проводит операции над введенными командами, следуя конкретным инструкциям. Такой операцией может быть считывание значений из памяти, сложение этих значений, а затем сохранение их в другом отделе памяти. Или что-то более сложное - например, деление двух чисел, если результат предыдущего вычисления оказался выше нуля.

Любая программа, будь то операционная система или видеоигра, представляет собой набор инструкций, которые необходимо выполнить. Эти действия загружаются из памяти и запускаются по очереди, вплоть до окончания программы. Многие разработчики пишут программы на сложных языках программирования, например, C++ или Python, но стоит отметить, что процессор их попросту не понимает. Все, что он может - обработать нули и единицы, поэтому необходимо представить код в подобном формате.

Программы представляют собой набор низкоуровневых инструкций. Их называют языком ассемблера (assembly language), и они являются одной из частей архитектуры набора команд (ISA). Процессоры запрограммированы на распознавание и выполнение этих инструкций. Самыми распространенными архитектурами набора команд являются x86, MIPS, ARM, RISC-V и PowerPC. Каждая из них отличается друг от друга написанием кода, по аналогии с языками программирования.

Эти архитектуры можно разбить на две категории: архитектуры с фиксированной длиной и переменной длиной. RISC-V является архитектурой с фиксированной длиной, и это означает, что по количеству битов можно понять можно определить тип инструкции. Ее полная противоположность - это x86: архитектура с переменной длиной, в которой каждая инструкция может быть закодирована совершенно по-разному и с разным количеством битов в каждой части. Именно поэтому декодер инструкций на процессорах с архитектурой x86 является самой сложной деталью всего устройства.

Инструкции с фиксированной длиной декодируются легче и быстрее, но у таких архитектур существует лимит поддерживаемых инструкций. Так, самые распространенные процессоры на RISC-V с открытым доступом поддерживают около 100 инструкций, а x86 является закрытой архитектурой, поэтому никто не знает точного количества поддерживаемых инструкций. Многие считают, что это число достигает нескольких тысяч, но это лишь догадки. Тем не менее, несмотря на такую разницу, процессоры на обеих архитектурах выполняют одни и те же функции.

Примеры инструкций архитектуры RISC-V. Инструкция opcode справа занимает 7 бит, что, в свою очередь, определяет ее тип. Каждая инструкция состоит из битов, которые отвечают за то, какие регистры и функции будут выполняться. Так инструкции ассемблера превращаются в бинарный код, который процессор способен считывать.

Итак, теперь можно включать компьютер и запускать программы. Стоит отметить, что выполнение инструкции состоит из нескольких базовых шагов.

Первым таким шагом является перенос инструкции из памяти в сам процессор. На второй стадии инструкция декодируется, чтобы процессор смог понять, что это за инструкция. Типов инструкций много - от арифметических действий до инструкций памяти. После того, как процессор определил тип инструкции, он достает необходимые операнды из памяти или внутренних регистров. Объясняется это просто - вы не можете сложить числа A и B, если не знаете их значений. Стоит также упомянуть, что, так как многие современные процессоры 64-битные, то размер значения данных тоже будет составлять 64 бита.

64 бита - это пропускная способность регистра процессора; пути данных и/или адреса памяти. Чем больше бит, тем больше информации компьютер может обрабатывать за раз. Проще говоря, 64-битный процессор может обрабатывать в два раза больше информации, чем 32-битный.

После того, как процессор получил необходимые операнды, начинается выполнение инструкции и операций над введенными данными. Это может быть добавление чисел, проведение логических манипуляций или даже отсутствие действий, когда значение просто отправляется дальше. После подсчета результатапроцессор может снова обратиться к памяти, чтобы сохранить полученное значение там или же просто отложить полученное значение в одном из внутренних регистров. Только после того, как результат сохранен, процессор обновит состояние различных элементов и перейдет к выполнению следующей инструкции.

Следует отметить, что вся вышеперечисленная цепочка действий значительно упрощена, поскольку в реальных ситуациях большинство современных процессоров разделяют все эти действия на 20+ более мелких циклов, чтобы повысить эффективность. В профессиональной среде подобное называется пайплайном - чем-то вроде трубопровода, который постепенно заполняется жидкостью, но как только заполнится полностью, внутри создается постоянный поток.

Пример четырехступенчатого пайплайна. Цветные квадраты представляют собой независимые друг от друга инструкции.

Прохождение циклов - тщательно отлаженный процесс, но не все инструкции заканчиваются одновременно. Сложение, например, выполняется невероятно быстро, а вот делению или загрузке из памяти может потребоваться на выполнение несколько сотен циклов. Современные процессорывместо того, чтобы простаивать в ожидании завершения одной медленной инструкции, могут выполнять инструкции вне очереди. Процессор сам способен определить, какую инструкцию лучше выполнить в данный момент, а какие - после нее. Если выполняемая инструкция еще не готова, то система может забежать немного вперед, чтобы посмотреть, готово ли что-то другое.

Современные процессоры, кроме внеочередного выполнения инструкций, обладают также суперскалярной архитектурой. Это означает, что процессор может выполнять сразу несколько инструкций на каждом из этапов пайплайна. Для того, чтобы это было возможно, процессору необходимо иметь несколько копий каждого этапа пайплайна. Таким образом, если процессор видит две доступные для исполнения инструкции, между которыми нет никакой зависимости друг от друга, то он сможет одновременно выполнить обе. Такая технология называется одновременной многопотоковостью (SMT), более известной как гиперпотоковость (Hyper-Threading). Процессоры Intel и AMD поддерживают двухстороннюю одновременную многопотоковость, в то время как IBM разработала чипы, поддерживающие уже восьмистороннюю многопотоковость.

Для того, чтобы в точности прорабатывать подобную схему, процессорупомимо ядра для работы необходимы и другие элементы. В каждом процессоре расположены сотни модулей, причем каждый предназначен для специфической задачи, но в этой статье будут затронуты лишь самые важные. Основные два - это кэш и блок предсказания ветвлений.

Неопытных пользователей кэш может сбить с толку, ведь его главная задача - хранить данные, прямо как оперативная память или любой другой накопитель. Главное отличие кэша заключается в его огромной скорости и низкой задержке при работе с данными. Несмотря на то, что оперативная память обладает высокой скоростью работы с данными, она все еще в разы медленней кэша и слишком медленная для работы процессора. Если говоритьо более точных цифрах, то кэш быстрее оперативной памяти в 100 раз и в 1000 раз быстрее любого SSD. Без кэша процессоры работали бы в разы медленней.

Почти в каждом процессоре есть три уровня кэша - это называется иерархией памяти. Кэш 1 уровня (L1) самый быстрый и самый маленький, 3 уровня (L3), наоборот, крупнейший и медленный, а кэш 2 уровня (L2) - "золотая середина" между ними. Выше кэша в иерархии памяти стоят маленькие регистры, в которых сохраняется одиночное значение данных во время работы процессора. Эти регистры по скорости даже опережают кэш. Регистры используются, когда компилятор переводит высокоуровневые программы в язык ассемблера.

Когда процессор запрашивает данные из памяти, то он сначала проверяет, находятся ли эти данные в кэше первого уровня. Если они там есть, то процессор получает доступ к ним всего за пару циклов. Однако, если данных нет в кэше первого уровня, то процессор поищет их в кэше второго, а затем третьего уровня. С каждым уровнем будет снижаться скорость и увеличиваться задержка. Наконец, если в кэше данных не было, процессор начнет искать их уже в основной памяти (RAM).

В большинстве процессоров каждое ядро оснащено двумя кэшами первого уровня: один предназначен для данных, а другой - для инструкций. Кэш первого уровнязачастуюоколо 100 КБ в размере, хотя это число может отличаться в зависимости от процессора. Обычно на каждое ядро приходится по кэшу второго уровня, хотя в некоторых архитектурах процессоров может кэш может быть разделен между двумя ядрами. Размер этого кэша составляет уже несколько сотен килобайт. Самым большим (несколько десятков мегабайт) является кэш 3 уровня, который делится сразу между всеми ядрами процессора.

Во время обработки кода процессороминструкции и значения данных в большинстве случаев направляются в кэш. Так значительно увеличивается скорость выполнения задачи, поскольку процессору не нужно обращаться к главной памяти. Более подробно работа систем памяти будет рассмотрена во второй и третьей части этой серии статей.

Вторым важнейшим элементом процессора является блок предсказания ветвлений. Разветвленные инструкции являются чем-то вроде команды “если”, только в контексте процессора. Одна часть инструкций будет выполняться, если условие верно, а другая - если условие ложно. Пример: необходимо сравнить два числа, иесли числа равны, то выполнить одну функцию, а если нет - то другую. Ветвления довольно распространены изачастуюсоставляют около 20% всех инструкций программы.

На бумаге разветвленные инструкции звучат довольно просто, но для процессоров их выполнение может быть довольно проблематичным. Поскольку процессор может выполнять 10-20 инструкций одновременно, ему важно понимать, какие именно нужно обработать. Процессору может понадобиться 5 циклов, чтобы определить, является ли инструкция разветвленной, а затем до 10 циклов для того, чтобы определить верна она или нет. В это же время, процессор может начать выполнять десятки дополнительных инструкций, даже не зная правильно ли их выполнение.

Для решения этой проблемы все современные высокопроизводительные процессоры используют технологию спекулятивного выполнения. Благодаря этой технологии, процессор запоминает выполняемые разветвленные инструкции и автоматически угадывает, произойдет ли ветвление или нет. Если системе удалось угадать, то процессор будет заранее выполнять другие инструкции, что увеличивает производительность. Если же не удалось, то процессор остановит выполнение всех неподходящих инструкций и начнет выполнять задачи с правильной точки.

Блоки предсказания ветвлений - это нечто вроде ранней формы машинного обучения, поскольку блок будет постепенно заучивать принцип работы разветвленных инструкций. Благодаря тому, что блоки развивались и улучшались десятилетиями, точность прогнозов в современных процессорах превышает 90%.

Несмотря на то, что эти предсказания могут увеличить производительность процессора, они также образуют дыры в безопасности. Так, недавняя уязвимость Spectre позволяла злоумышленникам получить доступ к процессору именно через блок предсказания ветвлений. Из-за этого производители процессоров вынуждены были переписать алгоритмы работы, тем самым слегка снизив производительность.

В последние несколько десятилетий процессоры развились до невероятных высот. Благодаря умелому использованию многих элементов процессоров, производителям удалось поднять производительность на новый уровень. Увы, но эти самые производители держат все принципы работы своих технологий в строжайшем секрете, поэтому трудно понять, как работают мельчайшие детали. К счастью, большинство фундаментальных основ работы процессоров остаются неизменными, стандартизированным и общеизвестными. Если Intel вдруг внезапно решит каким-то волшебным образом увеличить скорость работы кэша, либо AMD добавит более продвинутый блок предсказания ветвлений, знайте - обе компании стараются добиться одной и той же цели.

На этом заканчивается небольшая экскурсия в мир основ работы процессоров. В следующей статье речь пойдет о том, как создаются различные компоненты процессора, о логических вентилях, частоте, энергопотреблении, печатных схемах и многом другом.