Радуга на столе

Ярко-красный IRIS Crimson, фиолетовые Indigo, рабочие станции Indigo2 цвета морской волны, черно-синие сервера CHALLENGE... Пожалуй, не представлена только желтая часть спектра.

Компьютеры SGI традиционно используют микропроцессоры MIPS. Процессоры R3000, R4000, R4600, R8000, а в самое последнее время R5000 и R10000 - таков их спектр. Начиная с 1992 года SGI поставляет 64-разрядные микропроцессоры, а с 1994 года - и 64-разрядную версию UNIX. Сейчас среди продуктов компании два класса рабочих станций - Indigo2 и Indy. Остановимся подробнее на первом, более мощном классе.

Эти рабочие станции в архитектурном плане являются развитием более ранней серии Indigo. В Indigo2 до недавнего времени применялись микропроцессоры R4600SC, R4400SC и R8000 (в последнем случае соответствующие рабочие станции называются POWER Indigo2). В этом году анонсированы Indigo2 на базе R10000.

Основной шиной системы является синхронная шина GIO64. Она сменила 32-разрядную шину GIO32, которая применялась ранее в компьютерах Indigo на базе R3000A и R4000SC. GIO64 мультиплексирует адреса и данные и способна передавать одно двойное слово за такт при частоте 33 МГц (пиковая производительность составляет 266 Мбайт/с). При подсоединении графических плат в слоты шины GIO64 она должна работать на частоте 25 МГц. Арбитром шины GIO64 выступает микросхема MC, которая обеспечивает интерфейс ЦП c GIO64 и является контроллером оперативной памяти. MC обеспечивает режим DMA при работе с устройствами, отличными от процессора, и обрабатывает запросы на DMA с виртуальными адресами памяти. Кстати, высокоэффективная поддержка режима DMA выгодно отличает рабочие станции Indigo2. Шина GIO64 связывает между собой процессор, память, подсистему ввода/вывода и графическую систему.

Процессорная шина работает на тактовой частоте 50 МГц (равной внешней тактовой частоте R4000/100 МГц) и также является 64-разрядной. Она связана с оперативной памятью через чипы DMUX, поддерживающие двухкратное чередование адресов. Эта архитектурная особенность позволяет поднять пропускную способность памяти и редко встречается в рабочих станциях. Память имеет время доступа 80 нс и состоит из 3 банков памяти (12 SIMM). Она может иметь объем до 96, 192 и 384 Мбайт при комплектации SIMM емкостью 8, 16 и 32 Мбайт соответственно. Для рабочей станции POWER Indigo2 применение комбинации 64- и 32-мегабайтных SIMM позволяет наращивать память до 640 Мбайт.

Рабочие станции Indigo2 снабжены четырьмя слотами EISA. Процессорная шина, шины GIO64 и EISA используют разные синхронизирующие часы. Этим достигается максимально эффективное использование всех шин.

Подсистема ввода/вывода включает разнообразные порты ввода-вывода, управляющие ими микросхемы, системные часы и PROM, откуда начинается процесс загрузки. "Сердце" подсистемы - высокопроизводительный контроллер периферийных устройств (High Performance Peripheral Controller, микросхема HPC3), который напрямую связывает GIO64 с несколькими портами ввода/вывода. HPC3 минимизирует нагрузку на GIO64, освобождая ее для других передач данных. HPC3 обеспечивает быстрый обмен данными между устройствами ввода-вывода и памятью без вмешательства процессора. Для каждого устройства ввода-вывода HPC3 предоставляет независимый буфер FIFO и поддерживает DMA-передачу в память через шину GIO64 и МС.

Интерфейс Ethernet непосредственно связан с HPC3, на которую возложена повторная передача пакетов при коллизиях и управление 64-байтным буфером FIFO. Когда HPC3 получает пакет, она прерывает процессор только после того, как запишет пакет в память. При отправлении пакетов, прерывание происходит после удачной посылки, либо после 16 неудачных попыток передачи. Благодаря этому, отвлечение процессора от основной работы оказывается минимальным.

В подсистеме ввода/вывода имеется два канала Fast SCSI-2: внутренний и внешний. На внутреннем канале в рабочей станции Indigo2 может размещаться до трех SCSI-устройств.

К НРС3 подсоединена периферийная шина Р-bus, использующая 20-разрядные адреса и 16 бит для данных. К ней подключается целая коллекция портов и устройств: часы реального времени, таймер, 2 последовательных и 1 параллельный порт, порты клавиатуры и мыши, PROM и др. Сюда же подключается высококачественная аудиосистема, имеющая, в частности, 24-разрядную цифровую стереосистему и 16-разрядную аналоговую стереосистему. Все устройства, соединенные с P-bus, разделяют 384-байтовый буфер, используемый при работе в режиме DMA.

Возможности работы с видео обеспечиваются подсистемой Galileo Video. Ее наличие превращает Indigo2 в профессиональный инструмент для работы с видеоинформацией в форматах NTSC и PAL.

Скажем несколько слов и о графических подсистемах Indigo2 (бесспорно, они заслуживают отдельной статьи). Первоначально "минимальной" графической подсистемой была XL. Допускалась комплектация графикой XZ и Extreme. Но через некоторое время системы XZ стали считаться "самой слабой" графикой для Indigo2. Летом прошлого года начались поставки Indigo2 c еще более мощными графическими 3D-системами серии IMPACT. Производительность на задачах трехмерной графики поднялась в 3 раза относительно систем Extreme. Модификации High IMPACT и Maximum IMPACT обеспечивают еще большее графическое быстродействие. Следует отметить, что рабочие станции Indigo2 в настоящий момент лидируют как по показателям графической производительности, так и по показателю стоимость/графическая производительность.

Компания Silicon Graphics лишь относительно недавно начала активно действовать на российском рынке. Тем важнее точное позиционирование рабочих станций Indigo2 относительно областей их возможного применения. Анализ архитектуры этих компьютеров показывает, что они являются универсальными, хорошо сбалансированными системами с достаточно высокой производительностью процессоров и эффективной реализацией ввода-вывода (в частности, в режиме DMA). Прекрасные графические возможности, развитые средства работы с аудио- и видеоинформацией, конечно же, позволяют рекомендовать их для различных приложений мультимедиа.

Именно для таких целей они, вероятно, чаще всего и используются сегодня в нашей стране. В мире Indigo2 очень популярны в таких областях, как медицина, биология и химия, кроме того, они широко применяются для ГИС-приложений и др. Хорошая вещественная производительность усиливает их позиции в областях научных применений, требующих сочетания производительности и эффективных графических средств. Особенно ярко это проявляется в станциях POWER Indigo2, а также в новых Indigo2 на базе R10000.

Интеграция трехмерной графики и средств Internet в программных продуктах SGI успела заслужить признание и способствует распространению этих рабочих станций как средств для работы с новыми информационными технологиями. Все это позволяет предположить, что у рассмотренных нами рабочих станций хорошие перспективы на российском рынке.

Россыпи микропроцессоров

Микропроцессоры R4400SC реализованы на одном чипе и используют базовое напряжение 5 или 3.3 В. Они имеют кэши данных и инструкций первого уровня по 16 Кбайт каждый, а также контроллер 128-разрядного интерфейса с кэшем второго уровня размером 1 Мбайт и временем доступа 15 нс. Новые версии R4400SC с частотами от

175 МГц комплектуются кэшем 2 Мбайт. Для достижения высокой производительности необходима быстрая вторичная кэш-память большого размера. Благодаря этому, компании удалось обеспечить в рабочих станциях высокую производительность на больших задачах в самых разных областях применения, а не только в формальных тестах SPEC92, традиционно использовавшихся до последнего времени.

На чипе имеется также устройство управления памятью MMU. В его состав входит полностью ассоциативный буфер TLB, поддерживающий страницы виртуальной памяти переменного размера - от 4 Кбайт до 16 Мбайт. Устройство с плавающей запятой обеспечивает поддержку стандарта IEEE-754 c точной обработкой исключительных ситуаций. Микропроцессор имеет тридцать два 64-разрядных регистра общего назначения и столько же 64-разрядных регистров для чисел с плавающей запятой. R4400SC обеспечивает 36-разрядное пространство физических адресов, т.е. память размером до 64 Гбайт.

Первоначально R4400SC работал на тактовой частоте 150 МГц (при внешней тактовой частоте 75 МГц). В дальнейшем SGI выпустила версии с тактовыми частотами 175, 200 и 250 МГц. В микропроцессоре используется суперконвейерная идеология. Длина конвейера составляет 8 стадий. Из-за высокой тактовой частоты процессора операции чтения и записи в кэш разбиты на несколько "подстадий", т.е. занимают больше одного такта. В приведенной ниже таблице сравнивается производительность некоторых микропроцессоров, применяющихся в Indigo2:

Микропроцессоры R4600SC, более простые и дешевые, работают с частотой 133 МГц (внешняя частота 66.7 МГц). Они также имеют кэши команд и данных по 16 Кбайт каждый, и кэш второго уровня размером 1 Мбайт. В отличие от R4400, в R4600, как и в более ранних R3000, применяются пятистадийные конвейеры. С выпуском более производительных микропроцессоров SGI прекратила поставки Indigo2 на базе R4600.

Микропроцессоры R8000 ориентированы на высокопроизводительную работу с плавающей запятой; имеют многочиповую реализацию. Так, целочисленное устройство, устройство для работы с числами с плавающей запятой и кэш второго уровня объемом 2 Мбайт расположены на отдельных чипах. В R8000 используется напряжение 3,3 В. Он является суперскалярным; до четырех команд может исполняться им одновременно. Это полностью 64-разрядный микропроцессор, в котором регистры общего назначения (всего их 32), регистры для чисел с плавающей запятой (их также 32), функциональные устройства и адреса являются 64-разрядными.

R8000 имеет двухпортовый кэш команд объемом 16 Кбайт, двухпортовый кэш данных того же объема, а также таблицу предсказания переходов объемом 1 Кбайт. Блок целочисленной обработки включает MMU с двухпортовым TLB на 384 строки. Операции с плавающей запятой удовлетворяют стандарту IEEE c неточной обработкой исключительных ситуаций. R8000 имеет шину данных шириной 128 бит и 40-разрядную адресную шину, что обеспечивает пространство физических адресов 1 Тбайт.

В рабочих станциях POWER Indigo2 применяется 75-мегагерцевая версия R8000. Этот микропроцессор обладает уникальной эффективностью в расчете на 1 МГц тактовой частоты, поскольку при низких тактовых частотах его производительность очень велика. Так, 90-мегагерцевая версия R8000 лишь немного уступает на тестах LINPACK (DP, N=100) DEC Alpha 21164/300 МГц. К сожалению, эта архитектурная линия сейчас прекратила свое развитие: SGI/MIPS сосредоточилась на выпуске более универсального R10000, которым должны комплектоваться Indigo2 в будущем.

Производительность 200 МГц версии R10000 составляет 8.9/12.5 SPECint95/SPECfp95. Микропроцессор R10000 конкурирует с DEC Alpha 21164 за право возглавить список самых высокопроизводительных чипов. Следует отметить также, что все микропроцессоры MIPS совместимы снизу вверх. Можно предположить, что выпуск Indigo2 на базе R10000 заметно укрепит позиции SGI в соответствующей части рынка.