1 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Микропроцессоры MIPS в русле развития электронной индустрии Юрий Панчул Старший инженер 20 октября 2012 года

2 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Что такое MIPS? MIPS – одна из популярных RISC архитектур Возникла в Стенфорде в 1981 году MIPS Technologies – компания, которая занимается разработкой ядер с MIPS архитектурой и лицензированием архитектуры MIPS как таковой Лицензиаты ядер могут встраивать их в свои системы на кристалле – Microchip, Sigma, PMC Sierra Лицензиаты архитектуры могут разрабатывать свою микроархитектуру – Broadcom, Cavium, Академия Наук КНР (Loongson) За 2011 финансовый год в мире было выпущено более 656,000,000 устройств с ядром MIPS, за всю историю 3,600,000,000 Процессоры MIPS стоят в цифровых телевизорах Sony, роутерах Cisco, микроконтроллерах Microchip PIC32, фотоаппаратах Samsung и Casio

3 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. MIPS Heritage Photo: In 1984, Stanford computer scientists John Shott, John Hennessy and James D. Meindl brainstorm about the MIPS project (Photo: Chuck Painter) Standard 32- and 64-bit architecture for embedded, mobile, multimedia and networking applications Elegant RISC architecture designed for performance and efficiency Pioneered by Stanford President John Hennessy in the 1980s Continued innovation by MIPS and architecture licensees More than 3.6 billion MIPS-Based SoCs shipped

4 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Процессоры MIPS в поп-культуре Компьютеры, на которых снимали фильм «Парк Юрского Периода» Спутники Японского агентства аэрокосмических исследований JAXA Робот-собака «Айбо» от Sony Источник снимка спутников

5 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Industrys Most Scalable Processor Architecture Microchip PIC32 Microcontrollers 64-bit Multicore Chips for Advanced Networking And everything in between

6 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. MIPS Shipping in Major Brands in Digital Home

7 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Бизнес-модель MIPS Technologies Лицензирование ядер MIPS Classic – MIPS M4K, M14K, 24K, 34K, 74K, 1004K, 1074K Новая линейка MIPS Aptiv – microAptiv, interAptiv, proAptiv Лицензирование архитектуры MIPS32 MIPS64 microMIPS Расширение для микроконтроллеров Расширение для цифровой обработки сигналов – DSP Расширение для многопоточности на одном ядре – multi-threading – MT Менеджер когерентных кэшей – Coherence Manager – CM и CM2 Дизайн кэша второго уровня – L2

8 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Лицензирование ядер Инженеры MIPS разрабатывают процессоры в виде кода на языке описания аппаратуры Verilog Компании – лицензиаты интегрируют ядра в свой дизайн системы на кристалле, расширяют систему команд (Coprocessor2, CorExtend), добавляют другие компоненты – ядра DSP и периферийные устройства Примеры - Sigma Design (телевидение), Microchip (микроконтроллеры), Mobileye (авто) Некоторые лицензиаты используют сервис-компании для создания физического уровня дизайна Примеры сервис-компаний – eSilicon, Open Silicon Дизайн системы на кристалле превращается в микросхему на фабрике Примеры – TSMC, Global Foundries Разработчики систем используют микросхему в устройстве Примеры – телевизоры Sony, роутеры Cisco, планшеты Philips с ОС Андроид

9 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Различие между архитектурой и микроархитектурой Архитектура – процессор с точки зрения программиста Система команд Видимые программисту регистры Микроархитектура – реализация архитектуры на аппаратном обеспечении Организация конвейера – количество стадий Схемы арифметических устройств Цель разработчика микроархитекторы – поддержать иллюзию последовательного выполнения команд для программиста Одновременно внутри процессора могут находиться десятки команд на разных стадиях обработки

10 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Лицензирование архитектуры Инженеры MIPS анализируют бенчмарки и поведение пользовательских программ, после чего придумывают новые команды или целые расширения Примеры команд – ASET, ACLR для микроконтроллеров Примеры расширений – DSP и MT (Multi-Threading) Инженеры компании-лицензиата архитектуры создают свою микроархитектуру для реализации новых команд MIPS предоставляет лицензиатам архитектуры набор тестов, которые подтверждают, что разработанный лицензиатом процессор действительно имеет архитектуру MIPS (программа «MIPS Verified»)

11 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Бизнес-модели других компаний – Intel, ARM Intel Компания разрабатывает сама архитектуру, микроархитектуру, физический дизайн и производство готовых микросхем Intel попробовал лицензировать ядро Atom, но лицензиаты этого ядра вынуждены использовать и интеловские фабрики, и другие компоненты, вместо стандартного для индустрии встроенных системTSMC ARM Бизнес-модель практически идентична MIPS, но ARM менее охотно лицензирует архитектуру

12 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Истоки MIPS Прогресс элементной базы Прогресс автоматизации проектирования Прогресс компьютерной архитектуры

13 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Примеры влияния элементной базы С 1980-х скорость логики росла быстрее, чем скорость памяти В 1985 году доступ к памяти занимал 4 цикла CPU, сейчас занимает 150 циклов Следствие – повышение важности кэшей Следствие – развитие протоколов когерентности кэшей в многоядерных системах Следствие – развитие решений с многопоточностью на одном ядре (hardware- supported multithreading - MT) Пока один тред ждет во время cache miss, другой тред работает Повышение тактовой частоты ограничивается физическими законами и энергопотреблением Следствие – развитие многоядерных систем Это не чисто аппаратная проблема, требуется и прорыв в программировании

14 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Прогресс автоматизации проектирования 1980-е – возникла методология дизайна на уровне регистровых передач - Register Transfer Level – RTL Переход от рисования схем мышкой на экране к кодированию на языках Verilog и VHDL е – возникли методологии «виртуальных прототипов» систем на чипе Интеграция моделей процессоров и компонент Быстрые модели процессоров с точностью на уровне инструкций (instruction accurate) Медленные модели процессоров с точностью на уровне циклов синхросигнала (cycle accurate) Результат Повышение производительности труда инженеров Возможность разделение труда между разными компаниями Появление индустрии Design IP

15 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Прогресс компьютерной архитектуры 1946 – первый работающий компьютер общего назначения – ENIAC 1961 – первый конвейерный процессор – Stretch / IBM – 1967 – закладываются основы продвинутой компьютерной архитектуры - CDC 6600, IBM 360 Model 91 – форвардинг и переименование регистров первый коммерческий компьютер с кэшем – IBM 360/ – 1981 – ранние RISC CPU – IBM 801, Berkeley RISC II и Stanford MIPS Последние 30 лет – SIMD для multimedia, MESI для когерентности кэшей, out-of-order superscalar Все эти события отразились на современных ядрах MIPS

16 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Вехи истории MIPS – прошлое 1981 – начало проекта в Стенфорде Руководитель проекта Джон Хеннесси сейчас - президент Стенфорда 1984 – коммерциализация – MIPS Computer Systems 1991 – первый в индустрии 64-битный микропроцессор – MIPS R – MIPS Computer Systems становится частью Silicon Graphics Использование в Голливуде и игровых приставках Sony PlayStation и Nintendo64 Процессоры MIPS неявно присутствуют в романе Виктора Пелевина «Поколение П» 1998 – Компьютерная индустрия напугана анонсированием процессора Intel Itanium; Silicon Graphics решает пустить MIPS в свободное плавание PC Magazine. How the Itanium Killed the Computer Industry. By John Dvorak. January 26, 2009 Itanium так и не состоялся; MIPS продолжил жить во встроенных устройствах

17 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Вехи истории MIPS – современность MIPS снова становится отдельной компанией и выходит на биржу второй раз (делает второе IPO) как MIPS Technologies 1999 – Архитектура MIPS32 и MIPS – Лицензируемые 32-битные ядра 2002 – Ядра со специализацией для микроконтроллеров 2005 – Расширение для цифровой обработки сигналов – DSP Extension 2006 – Многопоточность на одном ядре – MT (Multi-Threading) Extension 2007 – Суперскалярное ядро 2008 – Когерентная многопроцессорность 2010 – Новая 16-битная система команд microMIPS 2012 – Новое поколение ядер – Aptiv Generation

18 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Основатель MIPS Джон Хеннесси Руководил проектом в Стенфорде в 1981 году Один из основателей MIPS Computer Systems в 1984 году Сейчас Джон Хеннесси - президент Стенфордского Университета Соавтор (вместе с Дэвидом Паттерсоном) популярных учебников

19 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Две идеологии – RISC и CISC Complex Instruction Set Computers Повышение производительности за счет добавления все более сложных команд Пример – VAX-11, команда Move Translated Until Character MOVTUC srclen.rw, srcaddr.ab, esc.rb, tbladdr.ab, dstlen.rw, dstaddr.ab, {R0-5.wl} Сравнительно простые компиляторы, высокая плотность кода Reduced Instruction Set Computers Большинство используемых команд – простые Повышение производительность за счет конвейеризации простых команд Использование оптимизирующих компиляторов, которые учитывают конвейеризацию

20 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Иллюстрация простоты системы команд MIPS

21 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Хроники «RISC-революции» 1980-х Дискуссия 1981 года между D. A. Patterson и D. R. Ditzel cо стороны RISC, D. Clark и W. D. Strecker со стороны CISC 1975 – 1981 – ранние RISC CPU – IBM 801, Berkley RISC II и Stanford MIPS Современные лидеры среди лицензируемых процессорных ядер – ARM и MIPS – стали коммерческими проектами в годах Результат 10-летней дискусии - победа RISC В 1991 году D. Bhandarkar и D. W. Clark провели измерили производительность CISC и RISC процессоров со сравнимой организацией – VAX 8700 и MIPS R2000 MIPS R2000 требовалось выполнять в два раза больше команд Но VAX 8700 требовалось в среднем в шесть раз больше циклов синхросигнала на команду Результат – MIPS R2000 исполнял бенчмарку SPEC89 втрое быстрее

22 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Последовательный процессор без конвейера

23 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Главный козырь RISC-архитектур в 1980-е годы – простая организация конвейера

24 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Классический конвейер MIPS ядер 1980-х Источник - Википедия

25 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Первый 64-битный микропроцессор в истории – MIPS R4000

26 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Патент на реализацию совместимости MIPS32 и MIPS64

27 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Была ли победа RISC окончательной? В середине 1990-х годов Intel произвел перестройку в лагере x86 В процессоре PentiumPro CISC инструкции превращались внутри в последовательность RISC- подобных инструкций В результате Intel смог сильно повысить производительность своих процессоров Но какой ценой? RISC процессоры по прежнему выигрывают по эффективности По метрике производительность на милливатт ядро MIPS 1074K сильно превосходит ядро Intel Atom (см. следущий слайд) Поэтому RISC процессоры не пускают Intel во многие рынки бытовой электроники, встроенных систем и микроконтроллеров Но остались ли RISC верными своим изначальным принципам? Современные RISC-процессоры содержат большое количество инструкций Некоторые инструкции нарушают изначальные принципы RISC За фасадами RISC и CISC архитектур происходит конвергенция двух лагерей на уровне микроархитектуры

28 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Наглядно: MIPS 1074K уверенно побеждает Intel Atom Atom = 9mm2 (45nm) 1074Kf Core 1074Kf Core 1074Kf 1.2 GHz (45nm) 1074Kf (3 core)Atom (1 core) Performance Total CoreMark Total DMIPS Area (mm2, 40nm/45nm)~6.2/7.5~ 9 Power (total dyn mW)

29 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Но микроархитектуру MIPS 1074K нельзя назвать простой MIPS 1074K – многоядерная система c менеджером когерентности кэшей Его суперскалярный конвейер состоит из 15 стадий – никакого стравнения с классическими MIPS-ами 1980-х Новое ядро MIPS proAptiv еще сложнее (дополнительные конвейеры, сложный предсказатель переходов и т.д.)

30 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Тренды в развитии микропроцессоров и будущее MIPS Мобильные устройства – рассмотрение энергопотребления на всех уровнях дизайна Физический, RTL (clock gating), микроархитектура, архитектура, система на чипе, софтвер Развитие специализированных процессоров SIMD, DSP, GPU – все они могут стыковаться с ядрами MIPS Сетевые процессоры с большим количеством ядер Broadcom, NetLogic, Cavium Дальнейшее укрупнение систем на чипе, появление «сетей на чипе» Виртуализация – от облака до секьюрити мобильных устройств

31 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Один из трендов – виртуализация. Зачем она нужна? Операционная система защищает приложения друг от друга Одни приложения ведут себя хорошо Другие могут быть дефектными Третьи могут быть вредоносными Все они взаимодействуют через операционную систему Операционная система защищает приложения друг от друга Но кто защитит пользователя от дефектной или взломанной операционной системы? Виртуализация – возможность запуска операционной системы в контролируемой среде

32 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Два использования виртуализации Виртуализизация для облачных приложений Кроме безопасности, обеспечивает гибкость администрирования Виртуализизация для мобильных приложений Позволяет создавать изолированные друг от друга виртуальные машины для Защищенного воспроизведения видео Безопасных финансовых транзакций Безопасной проверки персональных данных Безопасного удаленного хранения информации на облаке И других нужд

33 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. Способы реализации виртуализации Перехват привилегированных инструкций и эмуляция результатов их выполнения Может быть сделана чисто софтверным способом Не самая высокая производительность Пара-виртуализация Производительность повышается за счет оптимизаций операционной системы, которая учитывает виртуализацию Поддержка виртуализации на аппаратном уровне Процессор реализует дополнительный уровень трансляции виртуального адреса Не требует модификации операционной системы Оптимальная производительность

34 © 2012 MIPS Technologies, Inc. All rights reserved. At the core of the user experience ® Спасибо! MIPS, MIPS32, MIPS64, MIPS-Based, MIPS-Verified, MIPS Technologies logo are trademarks of MIPS Technologies, Inc. and registered in the U.S. Patent and Trademark Office. MIPS, MIPS32, MIPS64, MIPS-Based, MIPS Logo, MIPS Technologies Logo, Aptiv, microAptiv, interAptiv, proAptiv, CorExtend, Pro Series, microMIPS, M14K, M4K, 4KE, 4KEc, 24K, 24KE, 34K, 74K, 1004K, 1074K, MIPS Navigator, and FS2 are trademarks or registered trademarks of MIPS Technologies, Inc. in the United States and other countries.